40
1 UNIVERSITATEA PETROL ŞI GAZE PLOIEŞTI FACULTATEA: TEHNOLOGIA PETROLULUI ŞI PETROCHIMIEI SPECIALIZARE: INGINERIA ŞI PROTECŢIA MEDIULUI ÎN INDUSTRIE DISCIPLINA : PURIFICAREA GAZELOR INDUSTRIALE TEMA: PROIECTUL TEHNOLOGIC AL UNEI INSTALAŢII DE ELIMINARE A HIDROGENULUI SULFURAT DINTR-UN FLUX DE METAN PRIN ABSORBŢIE ÎN SOLUŢIE APOASĂ DE MEA URMATĂ DE FRACŢIONARE Coordonator: Conf. Dr. Ing. Mihaela Neagu Student, Ene Marius Ion PLOIEŞTI – 2015

04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

1

UNIVERSITATEA PETROL ŞI GAZE PLOIEŞTI

FACULTATEA TEHNOLOGIA PETROLULUI ŞI PETROCHIMIEI

SPECIALIZARE INGINERIA ŞI PROTECŢIA MEDIULUI IcircN INDUSTRIE

DISCIPLINA PURIFICAREA GAZELOR INDUSTRIALE

TEMA PROIECTUL TEHNOLOGIC AL UNEI INSTALAŢII DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT DINTR-UN FLUX DE METAN PRIN ABSORBŢIE IcircN

SOLUŢIE APOASĂ DE MEA URMATĂ DE FRACŢIONARE

Coordonator

Conf Dr Ing Mihaela Neagu

Student

Ene Marius Ion

PLOIEŞTI ndash 2015

2

CUPRINS

Tema proiectuluihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3

1 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE ABSORBŢIEhelliphelliphelliphellip 4

11 Calculul debitelor şi concentraţiilor fluxurilor din coloana de absorbţiehelliphelliphelliphellip 6

12 Bilanţ termic pe coloana de absorbţiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8

13 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de absorbţiehelliphelliphelliphelliphellip 12

14 Dimensionarea coloanei de absorbţiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14

141 Diametrul coloanei de absorbţiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14

142 Icircnălţimea coloanei de absorbţiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 15

15 Calculul pierderilor de absorbanthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16

2 PROIECTAREA TEHNOLOGICA A COLOANEI DE DESORBŢIEhelliphelliphelliphellip 18

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţiehelliphelliphelliphelliphellip 23

23 Dimensionarea coloanei de desorbţiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26

231 Diametrul coloanei de desorbţiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalațiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogathelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentarhelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbătorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A HIDROGENULUI

SULFURAThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

33

4 BIBLIOGRAFIE

5 ANEXE

3

PROIECTUL TEHNOLOGIC AL UNEI INSTALAŢII DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT DINTR-UN FLUX DE METAN PRIN ABSORBŢIE IcircN

SOLUŢIE APOASĂ DE MEA URMATĂ DE FRACŢIONARE

TEMA PROIECTULUI

Să se icircntocmească proiectul tehnologic al unei instalaţii de eliminare a H2S prin

absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

Date de intrare

Gazul impurificat metan

Debit de alimentare 230000 Nm3zi

Concentraţia H2S intrare 8 vol

ieşiregrad de absorbţie 98

Concentraţia soluţiei apoase de MEA 15 masă

Gradul de icircncărcare al absorbantului sărac X0 = 005 kmol H2Skmol MEA

Parametrii de lucru in coloana de absorbţie

Presiune 5 bar

Temperatura de intrare gaz impurificat 25 ordmC

Temperatura de intrare absorbant sărac 30 ordmC

Parametrii de lucru icircn coloana de desorbţie

Presiune la vacircrf 12 bar

Presiune la bază 14 bar

Temperatura icircn refierbător 115 ordmC

Temperatura refluxului 60ordmC

Raţia de reflux 31

Tipul de colonă de absorbţie talere cu supape

Tipul de coloană de desorbţie talere cu supape

Se cere să se determine

Bilanţurile materiale pe cele două coloane

Bilanţurile termice pe cele două coloane

Icircnăltimea şi diametrul celor două coloane

Necesarul de utilităţi

Pierderile de amină şi apă

Se va alcătui schema tehnologică şi de automatizare a instalaţiei

4

1 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE ABSORBŢIE

Proiectarea tehnologică a unei astfel de coloane constă icircn stabilirea necesarului de

echilibre a diametrului şi icircnălţimii

Operaţia de absorbţie are rolul de a a elimina din fluxul de gaz impurificat hidrogenul

sulfurat (H2S) folosind ca absorbant soluţia apoasă de monoetanol-amină (MEA) de diferite

concentraţii Icircn cadrul acestui proiect gazul impurificat cu H2S este metanul iar ca absorbant s-a

folosit soluţie apoasă de MEA de concentraţie 15 masă

Fluxurile din coloana de absorbţie şi concentraţiile lor sunt cele prezentate icircn figura 1

Figura 1 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de absorbţie

Semnificaţia simbolurilor este

G0 ndash debitul de gaz purtător (metan) kmolih

5

L0 ndash debitul de absorbant (MEA) kmolih

Yn+1 Y1 ndash concentraţiile solutului (H2S) icircn gazul purtător exprimate ca raport molar kmoli

solut kmol gaz purtător la intrarea respectiv ieşirea din coloană

X0 Xn ndash concentraţiile solutului (H2S) icircn absorbant exprimate ca raport molar kmoli solutkmol

absorbant la intrarea respectiv la ieşirea din coloană

Tn+1 T1 ndash temperaturile fluxului de gaz la intrarea respectiv la ieşirea din coloană

T0 Tn ndash

temperaturile fluxului de absorbant la intrarea respectiv la ieşirea din coloana de

absorbţie

Algoritmul de calcul al coloanei de absorbţie are următoarele etape

1 - Se determină debitele şi concentraţiile fluxurilor din coloana de absorbţie Din datele

iniţiale de proiectare se calculează debitul molar G0 şi concentraţiile Yn+1 Y1 (ca rapoarte

molare)

2 ndash Se calculează temperatura medie pe coloana de absorbţie şi la această temperatură se

obţin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant Se alege o concentraţie Xn astfel icircncacirct

la determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică să rezulte un număr rezonabil

de talere

3 ndash Se calculează debitul molar L0 prin bilanţ material pe componentul solut icircn jurul

coloanei de absorbţie

0 n 1 0 0 0 1 0 nG Y L X G Y L X (11)

n 1 10 0

n 0

Y YL G

X X

(12)

4 ndash Se verifică temperatura din baza coloanei prin bilanţ termic

5 ndash Se calculează debitele parţiale ale componenţilor la ieşirea din coloană şi

concentraţiile componenţilor icircn fracţii molare

6 ndash Se calculează diametrul şi icircnălţimea coloanei de absorbţie

7 ndash Se estimează pierderile de absorbant la vacircrful coloanei de absorbţie

6

11 Calculul debitelor şi concentraţiilor fluxurilor din coloana de absorbţie

Din datele de intrare se calculează debitul molar de gaz impurificat

T

230000G 427827

224 24

kmoli h

Cunoscacircnd concentraţia H2S icircn gazul purtător (metanul) se calculează debitul molar de

H2S respectiv de metan

n 1H S T H S2 2

G G y 427827 008 34226 kmoli h

0 T metanG G y 427827 092 393601 kmoli h

Se calculează raportul molar n 1Y

n 1

34226Y 00870

393601 kmol H2S kmol metan

sau

n 1n 1

n 1

y 008Y 00870

1 y 1 008

kmol H2S kmol metan

sau

n 1

8Y 00870

92 kmol H2S kmol metan

Din relaţia de definiţie a gradului de absorbţie se calculează raportul molar Y1

n 1 11 n 1

n 1

Y Y100 Y 1 Y

Y

(13)

1Y 1 098 00870 000174 kmol H2S kmol metan

Concentraţia H2S icircn absorbantul sărac se cunoaşte din datele de proiectare

0 2X 005 kmoliH S kmoliMEA

Concentraţia Xn se alege astfel icircncacirct la determinarea numărului de talere teoretice prin

metoda grafică să rezulte un număr rezonabil de talere

n 2Se consider X 06 kmoliH S kmoliMEAă

7

Debitul molar de absorbant L0 se calculează prin bilanţ material icircn jurul coloanei de

absorbţie conturul I din figura 1 cu relatia (12)

0

00870 000174L 393601 610153kmoli h

06 005

0L 610153kmoli h 6108 3726815kg hMEA

Se calculează debitele parţiale ale componenţilor icircn fiecare flux la intrarea şi ieşirea din

coloană şi concentraţiile componenţilor icircn fracţii molare

Debite şi concentraţii icircn fluxul de gaz bogat la intrarea icircn coloană

0G 393601kmoli h 393601 16 6297616 kgh metan

n 1H S2

G 34226 34 1163684 kgh H2S

n 1T 0 H S2

G G G 6297616 1163684 7461300 kgh gaz bogat

Debite şi concentraţii icircn fluxul de gaz sărac la ieşirea din coloană

0G 393601kmoli h 393601 16 6297616 kgh metan

1H S 0 12

G G Y 393601 000174 0685 kmolih H2S

1H S2

G 0685kmoli h 34 2329 kgh H2S neabsorbit

11 0 H S2

G G G 393601 0685 394286 kmolih gaz sărac

11 0 H S2

G G G 6297616 2329 6320906 kgh gaz sărac

1

0685y 000174

393601 0685

fracţii molare H2S

Debite şi concentraţii icircn absorbantul sărac la intrarea icircn coloană

0L 610153kmoli h 6108 3726815 kgh MEA

Cunoscacircnd concentraţia soluţiei de amină (15 masă) se poate calcula debitul de soluţie apoasă

de MEA

0s

100L 3726815 24845433

15 kgh soluţie MEA

8

Soluţia apoasă de MEA este alcătuită din

3726815 kg h MEA iş

24845433 3726815 21118618 kg h ap 1173257kmoli h apă ă

1H S 0 02

L L X 610153 005 30508 kmol h H2S

1H S2

L 30508 34 103727 kg h H2S

1 10 0 H SS 2

L L L 610153 30508 640661 kmolh

1 10 0 H SS S 2

L L L 24845433 103727 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

MEA

610153x 00494

610153 1173257

fracţii molare MEA

apa MEAx 1 x 1 00494 09506 fracţii molare apă

Debite şi concentraţii icircn absorbantul bogat la ieşirea din coloană

nH S 0 n2

L L X 610153 06 36609 kmolih H2S

nH S2

L 36609 34 1244706 kgh H2S

n n0 0 H SS 2

L L L 610153 36609 97624 kmoli h

n n0 0 H SS 2

L L L 24845433 1244706 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

n

36609x 0375

610153 36609

fracţii molare H2S

12 Bilanţ termic pe coloana de absorbţie

Din datele inițiale de proiectare se cunoaște temperatura de intrare a gazului impurificat

n 1T respectiv a absorbantului sărac oT

Icircn funcție de acestea se estimează temperatura la vacircrful coloanei 1T respectiv

temperatura la baza coloanei nT astfel

9

0

1 0T T 5 10 C (14)

0

n n 1T T 10 30 C (15)

Cu relațiile (14) și (15) se estimează temperatura T1 respectiv temperatura Tn

0

1T 30 6 36 C

0

nT 25 25 50 C

Icircn scopul verificării temperaturii Tn din baza coloanei de absorbtie se efectuează un

bilanț termic pe conturul I din figura 1 conform următoarei relații

TT T T T TTn 1 n 1 1 1 R0n 1 n 1 1 1 nn0 0 0 0G L G LS s0 0 0 0

G H G H L h G H G H G h L h (16)

unde

n 1 10 0G G reprezintă debitul de gaz purtător la intrarea ieşirea din coloană kgh

T Tn 1 1G G0 0

H H reprezintă entalpia icircn fază vapori a gazului purtător la temperatura Tn+1 respectiv T1

kJ kg

n 1 1G G reprezintă debitul de H2S la intrarea ieşirea din coloană kg h

T Tn 1 1H H reprezintă entalpia icircn fază vapori a H2S la temperatura Tn+1 respectiv T1 kJ kg

0SL reprezintă debitul soluţiei de absorbant sărac kg h

T T0 nL L0 0

h h reprezintă entalpia icircn faza lichid a absorbantului la temperatura T0 respectiv Tn

kJ kg

RG reprezintă debitul de H2S absorbit kg h

Tnh reprezintă entalpia icircn faza lichid a H2S absorbit la temperatura Tn kJ kg

Consideracircnd că atacirct gazul purtător cacirct şi soluţia de absorbant au aceeaşi compoziţie la

intrarea şi ieşirea din coloană bilanţul termic (16) se poate scrie

T T1 n 10 0 pGo 1 n 1G G0 0

G H H G c T T (17)

T T0 00 0 pGo n 0L LS S0 0

L h h L c T T (18)

10

unde

pG

0

c reprezintă căldura specifică medie izobară a etanului kJ kg0C care se calculează cu

relaţii din literatură

pL0

c reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant kJkg0C care se citeşte din

literatură

De asemenea ținacircnd seama de căldura de reacție ΔHR și de faptul că G1 este foarte mic

și se poate neglija relația (16) se reduce la forma

RR pGo 1 n 1 0 pLo n 0S

G H Gc T T L c T T (19)

RR 0 pLo 0 pGo 1 n 1S

n b

0 pGos

G H L c T Gc T TT T

L c

(110)

Temperatura Tn se verifică cu relația de bilanț termic (110) icircn care debitele fluxurilor

inplicate au fost calculate anterior și anume

0G 393601kmol h 393601 16 6297616 kg h

SoL 24845433 kg h soluţie MEA

RH S 0 n 1 12

G G Y Y 393601 00870 000174 33558 kmoli h H2S

RH S2

G 33558 34 1140972 kg h H2S reacţionat

Căldura specifică medie izobară a gazului purtător (metanul) pGoc se calculează la

temperatura medie aritmetică icircntre T1 şi Tn+1 cu relația

T 2 3

pc A B T C T D T

unde ABCD ndash constante specifice gazului purtător (metanul) care sunt tabelate icircn literatură

01 n 1T T 36 25T 305 C 273 305 3035

2 2

K

11

A= 120286 102

B= 325640

C= 07481610-3

D= - 707198 10-7

tan

305 2 3 2 7 3120286 10 325640 3035 074816 10 3035 ( 707198) 10 3035

22368 2237 0 6

epc

J kg K kJ kg K

Căldura specifică medie a soluţiei de absorbant pLoc se citeşte din grafice la temperatura

medie aritmetică icircntre T0 şi Tn

00 nT T 30 50T 40 C

2 2

Se obține

042 Cp

L0

c 4 kJ kg 0C

Căldura de reacție a H2S cu MEA se citește din tabele din literatură Se obține

ΔHR= 1910 kJ kg

Aplicacircnd relația (110) se obține

n b

1140972 1910 24845433 4 32 6297616 1775 36 25T T

24845433 4

0n bT T 5169 C

Valoarea temperaturii icircn baza coloanei de absorbţie obţinută prin calcul este icircn bună

concordanţă cu valoarea propusă Tn = 500C şi deci calculul temperaturii Tn se consideră icircncheiat

Se calculează temperatura medie pe coloană ca medie aritmetică icircntre T1 şi Tn

1 nm

T T 36 50T 43

2 2

0C

12

13 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de absorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată şi se parcurg

următoarele etape

- la temperatura medie pe coloană şi pentru valori de X cuprinse icircntre X0 şi Xn se citesc

din grafice din literatură valorile presiunii parţiale H2S

- din legea lui Dalton se calculează fracţiile molare ale H2S care apoi se transformă icircn

rapoarte molare Y

- curba de echilibru Y-X se reprezintă icircn grafic semilogaritmic

- se fixează coordonatele punctelor prin care trece dreapta de operare A(X0Y1) şi

B(YnYn+1)

Se alege Xn=06 kmoli H2S kmol MEA

X0= 005 kmol H2S kmol MEA

Yn+1= 00870 kmol H2S kmol metan

Y1= 000174 kmol H2S kmol metan

- pentru reprezentarea dreptei de operare icircn grafic semilogaritmic sunt necesare şi alte

puncte intermediare icircn afara punctelor extreme A şi B Icircn ecuaţia dreptei de operare

se dau valori lui Y icircntre X0 şi Xn şi se calculează valorile lui Y

- se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonatele Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi

curba de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B pacircnă la A

Numărul de orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă

13

Tabelul 11 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă P= 5 bar

X 2kmolH S

kmolMEA 2H Sp bar y= H S2

p P yY

1 y

kmolH2Skmol metan

005 16 10-4

32 10-5

32 10-5

01 59 10-4

118 10-4

118 10-4

02 39 10-3

78 10-4

78 10-4

03 115 10-3

23 10-3

23 10-3

04 45 10-2

9 10-3

908 10-3

05 69 10-2

14 10-2

142 10-2

06 98 10-2

19 10-2

19 10-2

Presupunem Xn = 06 kmol H2S kmol MEA

0L 610153 kmol h MEA

0G 393601 kmol h metan

Tabelul 12 Calculul curbei de operare pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă

X kmol H2S kmol MEA 0

n n 1

0

LY X X Y

G kmol H2S kmol metan

X0= 005 Y1 = 000174

01 000949

02 00250

03 00405

04 00560

05 00715

Xn=06 Yn+1 = 00870

Din graficul din Anexa 1 obţinem un număr de talere Ntt = 175

14

14 Dimensionarea coloanei de absorbţie

141 Diametrul coloanei de absorbţie

Coloana de absorbţie este echipată cu talere cu supape

Calculul diametrului se face conform metodologiei Glitsch

Debitele implicate icircn relaţii au fost calculate icircn subcapitolul11

TG = 7461300 kgh gaz bogat

n0s

L = 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

Masa molară medie a gazului bogat se calculează cu relația (111)

Mv= metan me tan H S H S2 2 M y M y (111)

Mv = 16 092 34 008 1744 kg kmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia (112)

3v

v

n 1

P M 5 17443526kg m

R T 0083 273 25

(112)

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

37461300V 0588m s

3526 3600

Densitatea soluţiei de MEA la ieşirea din coloană se citeşte din grafice din literatură la

temperatura din bază (se neglijează contribuţia H2S absorbit la densitatea soluţiei de absorbant)

ρl = 992 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relația (113)

05

vc

l v

V V

(113)

05

3c

3526V 0588 00351 m s

992 3526

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

26090139L 0438

992 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv= 2074 kgm3 şi s = 06 m şi se obţine

CAF = 042

15

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(114)

C

d

328VLC

30 v FI FS CAF

(115)

05

2

c

B B 314CD

1571

(116)

unde NP=1 FIcirc=07FS=07CAF=042 vd= 012

0438B 005575 0118

1 07 07 042

0438 328 00788C 1378

30 012 07 07 042

05

2

c

0118 0118 314 1378D 1617m

1571

142 Icircnălţimea coloanei de absorbţie

Icircnălţimea coloanei de absorbţie echipată cu talere cu supape se calculează cu relaţia

c TR V bI N 1 s I I (117)

NTR ndash numărul de talere reale din coloană se calculează după calculul eficacităţii medii globale

Icircn lipsa datelor generale de eficacitate Em sau a unor relaţii care să icircnglobeze efectul tuturor

factorilor care influenţează eficacitatea talerelor se recomandă ca Em să se estimeze icircn jur de

15

s ndash distanţa icircntre talere se alege 06 m

16

Icircv ndash icircnălţimea de la ultimul taler la vacircrful coloanei se alege 1 m

Icircb ndash icircnălţimea de la baza coloanei la primul taler din bază se alege 15 m

TTTR

m

N 175N 11667 12

E 015 talere reale

cI 12 1 06 1 15 91 m

15 Calculul pierderilor de absorbant

La vacircrful coloanei de absorbţie au loc pierderi de absorbant datorită antrenărilor cu gaz

inert Aceste pierderi se calculează cu relaţia

c

i ii 1

p 1 c

i ii 1

K xL G

1 K x

(118)

pL - reprezintă debitul molar de absorbant (apă şi amină) pierdut pe la vacircrful coloanei de

absorbţie

1G - debitul de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie kmolih

ix - fracţia molară a componentului i din amestecul absorbant

iK - constanta de echilibru a componentului i din amestecul absorbant la temperatura şi

presiunea de la vacircrful coloanei

Debitul molar de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie precum şi fracţiile

molare ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant sunt calculate anterior Constantele de echilibru

ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant la temperatura şi presiunea de la vacircrful coloanei sunt

2

apa

5

a min

K 1182 10

K 70605 10

5 5

p 5 5

1182 10 09506 70605 10 00494L 393601 4474

1 1182 10 09506 70605 10 00494

kmolih

17

Funcţiile molare icircn faza vapori se calculează cu relaţia

i i iY K x (119)

2

apay 1182 10 09506 00112 fracţii molare

5

aminay 70605 10 00494 000000349 fracţii molare

Pierderile din fiecare component al absorbantului sărac se calculează cu relaţiile

apap p 1 apaL L G y (120)

a min ap p 1 a minaL L G y (121)

yapă yamină ndash fracţiile molare icircn fază vapori

apapL 4474 393601 00112 4458 kmolih

apapL 80244kg h 1925856 kgzi

a min apL 4474 393601 000000349 0001385 kmolh

a min apL 00857kg h 20569 kgzi

Pentru completarea pierderilor de absorbant schema tehnologică a instalaţiei de

eliminare a H2S va fi prevăzută cu vas de completare cu absorbant

18

2 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE DESORBŢIE

Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din soluția de absorbant bogat ce

alimentează coloana de absorbție pentru un debit de abur de stripare dat un număr de talere sau

un strat de umplutură de o anumită icircnălțime Calculul acestora se face icircn funcție de numărul de

talere teoretice Pentru determinarea numărului de talere teoretice se aplică metoda grafică

simplificată iar datele de echilibru se obțin la temperaturi medii mari specifice operațiunii de

desorbție

Icircn practica industrială striparea gazelor acide (și icircn special a H2S) se face cu abur

indirect folosind un refierbător Aburul de stripare care părăsește coloana de vacircrf se condensează

și se reicircntoarce icircn coloană ca reflux

Fluxurile din coloana de stripare şi concentraţiile lor sunt cele simbolizate icircn figura 2

QC

QR

I

V yb

Lrsquox1

L x T0 0 B

TB

V y0 v vT

L x T0 n f

H S2

II

Figura 2 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de stripare

19

Icircn figura 2 semnificaţia simbolurilor este

Lo- reprezintatilde fluxul absorbant kmolih

LR ndash refluxul concentrate icircn apatildekmolih

Xn ndash concentraţia H2S icircn absorbantul bogat kmoli H2S kmol MEA

Xo ndash concentraţia H2S icircn absorbantul sărac kmoli H2S kmol MEA

YB- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din refierbatildetor kmol H2S kmol abur

Yv- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din coloanatilde kmol H2S kmol abur

Algoritmul de calcul al coloanei de desorbție are următoarele etape

1 se determină temperatura la vacircrful coloanei se efectuează bilanțul termic pe coloană

și se calculează debitul de vapori de stripare precum și consumul de abur la

refierbător

2 se calculează temperatura medie pe coloana de desorbție și la această temperatură se

obțin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant

3 se determină diametrul și icircnălțimea coloanei cu metodologia specifică tipului de

dispozitive de contactare (talere sau umplutură)

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vacircrful coloanei de desorbţie se pleacă de la faptul că icircn

condiţii de echilibru presiunea parţială a aburului (component majoritar la vacircrful coloanei) este egală cu

presiunea de vapori a apei Presiunea parţială a solutului ( H S2p ) este dată de legea lui Dalton

2

Tv

H S v abur apaP P y P (21)

unde PV reprezintă presiunea la vacircrful coloanei de desorbţie bar (din datele de proiectare)

20

TvapaP - presiunea de vapori a apei la temperatura de vacircrf

yabur - reprezintă fracţia molară de abur calculată cu relaţia (22)

Rabur R

R H S2

Ly

L G

(22)

LR ndash debitul de reflux calculat cu relaţia (23)

RR H S2

L R G (23)

R ndash raţia de reflux (din datele de proiectare)

RH S2

G - debitul de H2S absorbit kmoli

RL 3 33558 100674 kmolh 1812132kgh apă

abur

100674y 075

100674 33558

fracţii molare abur

TvH S apa2

p 12 075 09bar 750 675 mmHg P

Temperatura la vacircrf se calculează cu relaţia lui Antoine (24)

v

Tvapa

TC

BAlnP

(24)

unde

ABC reprezintă constantele lui Antoine pentru apă

ln v

v

381644675 183036 T 97 C

4613 T

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat icircn coloană este egală cu temperatura

de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie se alege

Tf =80ordmC

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 2: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

2

CUPRINS

Tema proiectuluihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3

1 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE ABSORBŢIEhelliphelliphelliphellip 4

11 Calculul debitelor şi concentraţiilor fluxurilor din coloana de absorbţiehelliphelliphelliphellip 6

12 Bilanţ termic pe coloana de absorbţiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8

13 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de absorbţiehelliphelliphelliphelliphellip 12

14 Dimensionarea coloanei de absorbţiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14

141 Diametrul coloanei de absorbţiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14

142 Icircnălţimea coloanei de absorbţiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 15

15 Calculul pierderilor de absorbanthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16

2 PROIECTAREA TEHNOLOGICA A COLOANEI DE DESORBŢIEhelliphelliphelliphellip 18

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţiehelliphelliphelliphelliphellip 23

23 Dimensionarea coloanei de desorbţiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26

231 Diametrul coloanei de desorbţiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalațiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogathelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentarhelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbătorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A HIDROGENULUI

SULFURAThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

33

4 BIBLIOGRAFIE

5 ANEXE

3

PROIECTUL TEHNOLOGIC AL UNEI INSTALAŢII DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT DINTR-UN FLUX DE METAN PRIN ABSORBŢIE IcircN

SOLUŢIE APOASĂ DE MEA URMATĂ DE FRACŢIONARE

TEMA PROIECTULUI

Să se icircntocmească proiectul tehnologic al unei instalaţii de eliminare a H2S prin

absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

Date de intrare

Gazul impurificat metan

Debit de alimentare 230000 Nm3zi

Concentraţia H2S intrare 8 vol

ieşiregrad de absorbţie 98

Concentraţia soluţiei apoase de MEA 15 masă

Gradul de icircncărcare al absorbantului sărac X0 = 005 kmol H2Skmol MEA

Parametrii de lucru in coloana de absorbţie

Presiune 5 bar

Temperatura de intrare gaz impurificat 25 ordmC

Temperatura de intrare absorbant sărac 30 ordmC

Parametrii de lucru icircn coloana de desorbţie

Presiune la vacircrf 12 bar

Presiune la bază 14 bar

Temperatura icircn refierbător 115 ordmC

Temperatura refluxului 60ordmC

Raţia de reflux 31

Tipul de colonă de absorbţie talere cu supape

Tipul de coloană de desorbţie talere cu supape

Se cere să se determine

Bilanţurile materiale pe cele două coloane

Bilanţurile termice pe cele două coloane

Icircnăltimea şi diametrul celor două coloane

Necesarul de utilităţi

Pierderile de amină şi apă

Se va alcătui schema tehnologică şi de automatizare a instalaţiei

4

1 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE ABSORBŢIE

Proiectarea tehnologică a unei astfel de coloane constă icircn stabilirea necesarului de

echilibre a diametrului şi icircnălţimii

Operaţia de absorbţie are rolul de a a elimina din fluxul de gaz impurificat hidrogenul

sulfurat (H2S) folosind ca absorbant soluţia apoasă de monoetanol-amină (MEA) de diferite

concentraţii Icircn cadrul acestui proiect gazul impurificat cu H2S este metanul iar ca absorbant s-a

folosit soluţie apoasă de MEA de concentraţie 15 masă

Fluxurile din coloana de absorbţie şi concentraţiile lor sunt cele prezentate icircn figura 1

Figura 1 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de absorbţie

Semnificaţia simbolurilor este

G0 ndash debitul de gaz purtător (metan) kmolih

5

L0 ndash debitul de absorbant (MEA) kmolih

Yn+1 Y1 ndash concentraţiile solutului (H2S) icircn gazul purtător exprimate ca raport molar kmoli

solut kmol gaz purtător la intrarea respectiv ieşirea din coloană

X0 Xn ndash concentraţiile solutului (H2S) icircn absorbant exprimate ca raport molar kmoli solutkmol

absorbant la intrarea respectiv la ieşirea din coloană

Tn+1 T1 ndash temperaturile fluxului de gaz la intrarea respectiv la ieşirea din coloană

T0 Tn ndash

temperaturile fluxului de absorbant la intrarea respectiv la ieşirea din coloana de

absorbţie

Algoritmul de calcul al coloanei de absorbţie are următoarele etape

1 - Se determină debitele şi concentraţiile fluxurilor din coloana de absorbţie Din datele

iniţiale de proiectare se calculează debitul molar G0 şi concentraţiile Yn+1 Y1 (ca rapoarte

molare)

2 ndash Se calculează temperatura medie pe coloana de absorbţie şi la această temperatură se

obţin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant Se alege o concentraţie Xn astfel icircncacirct

la determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică să rezulte un număr rezonabil

de talere

3 ndash Se calculează debitul molar L0 prin bilanţ material pe componentul solut icircn jurul

coloanei de absorbţie

0 n 1 0 0 0 1 0 nG Y L X G Y L X (11)

n 1 10 0

n 0

Y YL G

X X

(12)

4 ndash Se verifică temperatura din baza coloanei prin bilanţ termic

5 ndash Se calculează debitele parţiale ale componenţilor la ieşirea din coloană şi

concentraţiile componenţilor icircn fracţii molare

6 ndash Se calculează diametrul şi icircnălţimea coloanei de absorbţie

7 ndash Se estimează pierderile de absorbant la vacircrful coloanei de absorbţie

6

11 Calculul debitelor şi concentraţiilor fluxurilor din coloana de absorbţie

Din datele de intrare se calculează debitul molar de gaz impurificat

T

230000G 427827

224 24

kmoli h

Cunoscacircnd concentraţia H2S icircn gazul purtător (metanul) se calculează debitul molar de

H2S respectiv de metan

n 1H S T H S2 2

G G y 427827 008 34226 kmoli h

0 T metanG G y 427827 092 393601 kmoli h

Se calculează raportul molar n 1Y

n 1

34226Y 00870

393601 kmol H2S kmol metan

sau

n 1n 1

n 1

y 008Y 00870

1 y 1 008

kmol H2S kmol metan

sau

n 1

8Y 00870

92 kmol H2S kmol metan

Din relaţia de definiţie a gradului de absorbţie se calculează raportul molar Y1

n 1 11 n 1

n 1

Y Y100 Y 1 Y

Y

(13)

1Y 1 098 00870 000174 kmol H2S kmol metan

Concentraţia H2S icircn absorbantul sărac se cunoaşte din datele de proiectare

0 2X 005 kmoliH S kmoliMEA

Concentraţia Xn se alege astfel icircncacirct la determinarea numărului de talere teoretice prin

metoda grafică să rezulte un număr rezonabil de talere

n 2Se consider X 06 kmoliH S kmoliMEAă

7

Debitul molar de absorbant L0 se calculează prin bilanţ material icircn jurul coloanei de

absorbţie conturul I din figura 1 cu relatia (12)

0

00870 000174L 393601 610153kmoli h

06 005

0L 610153kmoli h 6108 3726815kg hMEA

Se calculează debitele parţiale ale componenţilor icircn fiecare flux la intrarea şi ieşirea din

coloană şi concentraţiile componenţilor icircn fracţii molare

Debite şi concentraţii icircn fluxul de gaz bogat la intrarea icircn coloană

0G 393601kmoli h 393601 16 6297616 kgh metan

n 1H S2

G 34226 34 1163684 kgh H2S

n 1T 0 H S2

G G G 6297616 1163684 7461300 kgh gaz bogat

Debite şi concentraţii icircn fluxul de gaz sărac la ieşirea din coloană

0G 393601kmoli h 393601 16 6297616 kgh metan

1H S 0 12

G G Y 393601 000174 0685 kmolih H2S

1H S2

G 0685kmoli h 34 2329 kgh H2S neabsorbit

11 0 H S2

G G G 393601 0685 394286 kmolih gaz sărac

11 0 H S2

G G G 6297616 2329 6320906 kgh gaz sărac

1

0685y 000174

393601 0685

fracţii molare H2S

Debite şi concentraţii icircn absorbantul sărac la intrarea icircn coloană

0L 610153kmoli h 6108 3726815 kgh MEA

Cunoscacircnd concentraţia soluţiei de amină (15 masă) se poate calcula debitul de soluţie apoasă

de MEA

0s

100L 3726815 24845433

15 kgh soluţie MEA

8

Soluţia apoasă de MEA este alcătuită din

3726815 kg h MEA iş

24845433 3726815 21118618 kg h ap 1173257kmoli h apă ă

1H S 0 02

L L X 610153 005 30508 kmol h H2S

1H S2

L 30508 34 103727 kg h H2S

1 10 0 H SS 2

L L L 610153 30508 640661 kmolh

1 10 0 H SS S 2

L L L 24845433 103727 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

MEA

610153x 00494

610153 1173257

fracţii molare MEA

apa MEAx 1 x 1 00494 09506 fracţii molare apă

Debite şi concentraţii icircn absorbantul bogat la ieşirea din coloană

nH S 0 n2

L L X 610153 06 36609 kmolih H2S

nH S2

L 36609 34 1244706 kgh H2S

n n0 0 H SS 2

L L L 610153 36609 97624 kmoli h

n n0 0 H SS 2

L L L 24845433 1244706 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

n

36609x 0375

610153 36609

fracţii molare H2S

12 Bilanţ termic pe coloana de absorbţie

Din datele inițiale de proiectare se cunoaște temperatura de intrare a gazului impurificat

n 1T respectiv a absorbantului sărac oT

Icircn funcție de acestea se estimează temperatura la vacircrful coloanei 1T respectiv

temperatura la baza coloanei nT astfel

9

0

1 0T T 5 10 C (14)

0

n n 1T T 10 30 C (15)

Cu relațiile (14) și (15) se estimează temperatura T1 respectiv temperatura Tn

0

1T 30 6 36 C

0

nT 25 25 50 C

Icircn scopul verificării temperaturii Tn din baza coloanei de absorbtie se efectuează un

bilanț termic pe conturul I din figura 1 conform următoarei relații

TT T T T TTn 1 n 1 1 1 R0n 1 n 1 1 1 nn0 0 0 0G L G LS s0 0 0 0

G H G H L h G H G H G h L h (16)

unde

n 1 10 0G G reprezintă debitul de gaz purtător la intrarea ieşirea din coloană kgh

T Tn 1 1G G0 0

H H reprezintă entalpia icircn fază vapori a gazului purtător la temperatura Tn+1 respectiv T1

kJ kg

n 1 1G G reprezintă debitul de H2S la intrarea ieşirea din coloană kg h

T Tn 1 1H H reprezintă entalpia icircn fază vapori a H2S la temperatura Tn+1 respectiv T1 kJ kg

0SL reprezintă debitul soluţiei de absorbant sărac kg h

T T0 nL L0 0

h h reprezintă entalpia icircn faza lichid a absorbantului la temperatura T0 respectiv Tn

kJ kg

RG reprezintă debitul de H2S absorbit kg h

Tnh reprezintă entalpia icircn faza lichid a H2S absorbit la temperatura Tn kJ kg

Consideracircnd că atacirct gazul purtător cacirct şi soluţia de absorbant au aceeaşi compoziţie la

intrarea şi ieşirea din coloană bilanţul termic (16) se poate scrie

T T1 n 10 0 pGo 1 n 1G G0 0

G H H G c T T (17)

T T0 00 0 pGo n 0L LS S0 0

L h h L c T T (18)

10

unde

pG

0

c reprezintă căldura specifică medie izobară a etanului kJ kg0C care se calculează cu

relaţii din literatură

pL0

c reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant kJkg0C care se citeşte din

literatură

De asemenea ținacircnd seama de căldura de reacție ΔHR și de faptul că G1 este foarte mic

și se poate neglija relația (16) se reduce la forma

RR pGo 1 n 1 0 pLo n 0S

G H Gc T T L c T T (19)

RR 0 pLo 0 pGo 1 n 1S

n b

0 pGos

G H L c T Gc T TT T

L c

(110)

Temperatura Tn se verifică cu relația de bilanț termic (110) icircn care debitele fluxurilor

inplicate au fost calculate anterior și anume

0G 393601kmol h 393601 16 6297616 kg h

SoL 24845433 kg h soluţie MEA

RH S 0 n 1 12

G G Y Y 393601 00870 000174 33558 kmoli h H2S

RH S2

G 33558 34 1140972 kg h H2S reacţionat

Căldura specifică medie izobară a gazului purtător (metanul) pGoc se calculează la

temperatura medie aritmetică icircntre T1 şi Tn+1 cu relația

T 2 3

pc A B T C T D T

unde ABCD ndash constante specifice gazului purtător (metanul) care sunt tabelate icircn literatură

01 n 1T T 36 25T 305 C 273 305 3035

2 2

K

11

A= 120286 102

B= 325640

C= 07481610-3

D= - 707198 10-7

tan

305 2 3 2 7 3120286 10 325640 3035 074816 10 3035 ( 707198) 10 3035

22368 2237 0 6

epc

J kg K kJ kg K

Căldura specifică medie a soluţiei de absorbant pLoc se citeşte din grafice la temperatura

medie aritmetică icircntre T0 şi Tn

00 nT T 30 50T 40 C

2 2

Se obține

042 Cp

L0

c 4 kJ kg 0C

Căldura de reacție a H2S cu MEA se citește din tabele din literatură Se obține

ΔHR= 1910 kJ kg

Aplicacircnd relația (110) se obține

n b

1140972 1910 24845433 4 32 6297616 1775 36 25T T

24845433 4

0n bT T 5169 C

Valoarea temperaturii icircn baza coloanei de absorbţie obţinută prin calcul este icircn bună

concordanţă cu valoarea propusă Tn = 500C şi deci calculul temperaturii Tn se consideră icircncheiat

Se calculează temperatura medie pe coloană ca medie aritmetică icircntre T1 şi Tn

1 nm

T T 36 50T 43

2 2

0C

12

13 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de absorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată şi se parcurg

următoarele etape

- la temperatura medie pe coloană şi pentru valori de X cuprinse icircntre X0 şi Xn se citesc

din grafice din literatură valorile presiunii parţiale H2S

- din legea lui Dalton se calculează fracţiile molare ale H2S care apoi se transformă icircn

rapoarte molare Y

- curba de echilibru Y-X se reprezintă icircn grafic semilogaritmic

- se fixează coordonatele punctelor prin care trece dreapta de operare A(X0Y1) şi

B(YnYn+1)

Se alege Xn=06 kmoli H2S kmol MEA

X0= 005 kmol H2S kmol MEA

Yn+1= 00870 kmol H2S kmol metan

Y1= 000174 kmol H2S kmol metan

- pentru reprezentarea dreptei de operare icircn grafic semilogaritmic sunt necesare şi alte

puncte intermediare icircn afara punctelor extreme A şi B Icircn ecuaţia dreptei de operare

se dau valori lui Y icircntre X0 şi Xn şi se calculează valorile lui Y

- se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonatele Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi

curba de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B pacircnă la A

Numărul de orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă

13

Tabelul 11 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă P= 5 bar

X 2kmolH S

kmolMEA 2H Sp bar y= H S2

p P yY

1 y

kmolH2Skmol metan

005 16 10-4

32 10-5

32 10-5

01 59 10-4

118 10-4

118 10-4

02 39 10-3

78 10-4

78 10-4

03 115 10-3

23 10-3

23 10-3

04 45 10-2

9 10-3

908 10-3

05 69 10-2

14 10-2

142 10-2

06 98 10-2

19 10-2

19 10-2

Presupunem Xn = 06 kmol H2S kmol MEA

0L 610153 kmol h MEA

0G 393601 kmol h metan

Tabelul 12 Calculul curbei de operare pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă

X kmol H2S kmol MEA 0

n n 1

0

LY X X Y

G kmol H2S kmol metan

X0= 005 Y1 = 000174

01 000949

02 00250

03 00405

04 00560

05 00715

Xn=06 Yn+1 = 00870

Din graficul din Anexa 1 obţinem un număr de talere Ntt = 175

14

14 Dimensionarea coloanei de absorbţie

141 Diametrul coloanei de absorbţie

Coloana de absorbţie este echipată cu talere cu supape

Calculul diametrului se face conform metodologiei Glitsch

Debitele implicate icircn relaţii au fost calculate icircn subcapitolul11

TG = 7461300 kgh gaz bogat

n0s

L = 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

Masa molară medie a gazului bogat se calculează cu relația (111)

Mv= metan me tan H S H S2 2 M y M y (111)

Mv = 16 092 34 008 1744 kg kmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia (112)

3v

v

n 1

P M 5 17443526kg m

R T 0083 273 25

(112)

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

37461300V 0588m s

3526 3600

Densitatea soluţiei de MEA la ieşirea din coloană se citeşte din grafice din literatură la

temperatura din bază (se neglijează contribuţia H2S absorbit la densitatea soluţiei de absorbant)

ρl = 992 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relația (113)

05

vc

l v

V V

(113)

05

3c

3526V 0588 00351 m s

992 3526

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

26090139L 0438

992 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv= 2074 kgm3 şi s = 06 m şi se obţine

CAF = 042

15

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(114)

C

d

328VLC

30 v FI FS CAF

(115)

05

2

c

B B 314CD

1571

(116)

unde NP=1 FIcirc=07FS=07CAF=042 vd= 012

0438B 005575 0118

1 07 07 042

0438 328 00788C 1378

30 012 07 07 042

05

2

c

0118 0118 314 1378D 1617m

1571

142 Icircnălţimea coloanei de absorbţie

Icircnălţimea coloanei de absorbţie echipată cu talere cu supape se calculează cu relaţia

c TR V bI N 1 s I I (117)

NTR ndash numărul de talere reale din coloană se calculează după calculul eficacităţii medii globale

Icircn lipsa datelor generale de eficacitate Em sau a unor relaţii care să icircnglobeze efectul tuturor

factorilor care influenţează eficacitatea talerelor se recomandă ca Em să se estimeze icircn jur de

15

s ndash distanţa icircntre talere se alege 06 m

16

Icircv ndash icircnălţimea de la ultimul taler la vacircrful coloanei se alege 1 m

Icircb ndash icircnălţimea de la baza coloanei la primul taler din bază se alege 15 m

TTTR

m

N 175N 11667 12

E 015 talere reale

cI 12 1 06 1 15 91 m

15 Calculul pierderilor de absorbant

La vacircrful coloanei de absorbţie au loc pierderi de absorbant datorită antrenărilor cu gaz

inert Aceste pierderi se calculează cu relaţia

c

i ii 1

p 1 c

i ii 1

K xL G

1 K x

(118)

pL - reprezintă debitul molar de absorbant (apă şi amină) pierdut pe la vacircrful coloanei de

absorbţie

1G - debitul de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie kmolih

ix - fracţia molară a componentului i din amestecul absorbant

iK - constanta de echilibru a componentului i din amestecul absorbant la temperatura şi

presiunea de la vacircrful coloanei

Debitul molar de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie precum şi fracţiile

molare ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant sunt calculate anterior Constantele de echilibru

ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant la temperatura şi presiunea de la vacircrful coloanei sunt

2

apa

5

a min

K 1182 10

K 70605 10

5 5

p 5 5

1182 10 09506 70605 10 00494L 393601 4474

1 1182 10 09506 70605 10 00494

kmolih

17

Funcţiile molare icircn faza vapori se calculează cu relaţia

i i iY K x (119)

2

apay 1182 10 09506 00112 fracţii molare

5

aminay 70605 10 00494 000000349 fracţii molare

Pierderile din fiecare component al absorbantului sărac se calculează cu relaţiile

apap p 1 apaL L G y (120)

a min ap p 1 a minaL L G y (121)

yapă yamină ndash fracţiile molare icircn fază vapori

apapL 4474 393601 00112 4458 kmolih

apapL 80244kg h 1925856 kgzi

a min apL 4474 393601 000000349 0001385 kmolh

a min apL 00857kg h 20569 kgzi

Pentru completarea pierderilor de absorbant schema tehnologică a instalaţiei de

eliminare a H2S va fi prevăzută cu vas de completare cu absorbant

18

2 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE DESORBŢIE

Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din soluția de absorbant bogat ce

alimentează coloana de absorbție pentru un debit de abur de stripare dat un număr de talere sau

un strat de umplutură de o anumită icircnălțime Calculul acestora se face icircn funcție de numărul de

talere teoretice Pentru determinarea numărului de talere teoretice se aplică metoda grafică

simplificată iar datele de echilibru se obțin la temperaturi medii mari specifice operațiunii de

desorbție

Icircn practica industrială striparea gazelor acide (și icircn special a H2S) se face cu abur

indirect folosind un refierbător Aburul de stripare care părăsește coloana de vacircrf se condensează

și se reicircntoarce icircn coloană ca reflux

Fluxurile din coloana de stripare şi concentraţiile lor sunt cele simbolizate icircn figura 2

QC

QR

I

V yb

Lrsquox1

L x T0 0 B

TB

V y0 v vT

L x T0 n f

H S2

II

Figura 2 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de stripare

19

Icircn figura 2 semnificaţia simbolurilor este

Lo- reprezintatilde fluxul absorbant kmolih

LR ndash refluxul concentrate icircn apatildekmolih

Xn ndash concentraţia H2S icircn absorbantul bogat kmoli H2S kmol MEA

Xo ndash concentraţia H2S icircn absorbantul sărac kmoli H2S kmol MEA

YB- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din refierbatildetor kmol H2S kmol abur

Yv- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din coloanatilde kmol H2S kmol abur

Algoritmul de calcul al coloanei de desorbție are următoarele etape

1 se determină temperatura la vacircrful coloanei se efectuează bilanțul termic pe coloană

și se calculează debitul de vapori de stripare precum și consumul de abur la

refierbător

2 se calculează temperatura medie pe coloana de desorbție și la această temperatură se

obțin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant

3 se determină diametrul și icircnălțimea coloanei cu metodologia specifică tipului de

dispozitive de contactare (talere sau umplutură)

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vacircrful coloanei de desorbţie se pleacă de la faptul că icircn

condiţii de echilibru presiunea parţială a aburului (component majoritar la vacircrful coloanei) este egală cu

presiunea de vapori a apei Presiunea parţială a solutului ( H S2p ) este dată de legea lui Dalton

2

Tv

H S v abur apaP P y P (21)

unde PV reprezintă presiunea la vacircrful coloanei de desorbţie bar (din datele de proiectare)

20

TvapaP - presiunea de vapori a apei la temperatura de vacircrf

yabur - reprezintă fracţia molară de abur calculată cu relaţia (22)

Rabur R

R H S2

Ly

L G

(22)

LR ndash debitul de reflux calculat cu relaţia (23)

RR H S2

L R G (23)

R ndash raţia de reflux (din datele de proiectare)

RH S2

G - debitul de H2S absorbit kmoli

RL 3 33558 100674 kmolh 1812132kgh apă

abur

100674y 075

100674 33558

fracţii molare abur

TvH S apa2

p 12 075 09bar 750 675 mmHg P

Temperatura la vacircrf se calculează cu relaţia lui Antoine (24)

v

Tvapa

TC

BAlnP

(24)

unde

ABC reprezintă constantele lui Antoine pentru apă

ln v

v

381644675 183036 T 97 C

4613 T

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat icircn coloană este egală cu temperatura

de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie se alege

Tf =80ordmC

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 3: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

3

PROIECTUL TEHNOLOGIC AL UNEI INSTALAŢII DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT DINTR-UN FLUX DE METAN PRIN ABSORBŢIE IcircN

SOLUŢIE APOASĂ DE MEA URMATĂ DE FRACŢIONARE

TEMA PROIECTULUI

Să se icircntocmească proiectul tehnologic al unei instalaţii de eliminare a H2S prin

absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

Date de intrare

Gazul impurificat metan

Debit de alimentare 230000 Nm3zi

Concentraţia H2S intrare 8 vol

ieşiregrad de absorbţie 98

Concentraţia soluţiei apoase de MEA 15 masă

Gradul de icircncărcare al absorbantului sărac X0 = 005 kmol H2Skmol MEA

Parametrii de lucru in coloana de absorbţie

Presiune 5 bar

Temperatura de intrare gaz impurificat 25 ordmC

Temperatura de intrare absorbant sărac 30 ordmC

Parametrii de lucru icircn coloana de desorbţie

Presiune la vacircrf 12 bar

Presiune la bază 14 bar

Temperatura icircn refierbător 115 ordmC

Temperatura refluxului 60ordmC

Raţia de reflux 31

Tipul de colonă de absorbţie talere cu supape

Tipul de coloană de desorbţie talere cu supape

Se cere să se determine

Bilanţurile materiale pe cele două coloane

Bilanţurile termice pe cele două coloane

Icircnăltimea şi diametrul celor două coloane

Necesarul de utilităţi

Pierderile de amină şi apă

Se va alcătui schema tehnologică şi de automatizare a instalaţiei

4

1 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE ABSORBŢIE

Proiectarea tehnologică a unei astfel de coloane constă icircn stabilirea necesarului de

echilibre a diametrului şi icircnălţimii

Operaţia de absorbţie are rolul de a a elimina din fluxul de gaz impurificat hidrogenul

sulfurat (H2S) folosind ca absorbant soluţia apoasă de monoetanol-amină (MEA) de diferite

concentraţii Icircn cadrul acestui proiect gazul impurificat cu H2S este metanul iar ca absorbant s-a

folosit soluţie apoasă de MEA de concentraţie 15 masă

Fluxurile din coloana de absorbţie şi concentraţiile lor sunt cele prezentate icircn figura 1

Figura 1 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de absorbţie

Semnificaţia simbolurilor este

G0 ndash debitul de gaz purtător (metan) kmolih

5

L0 ndash debitul de absorbant (MEA) kmolih

Yn+1 Y1 ndash concentraţiile solutului (H2S) icircn gazul purtător exprimate ca raport molar kmoli

solut kmol gaz purtător la intrarea respectiv ieşirea din coloană

X0 Xn ndash concentraţiile solutului (H2S) icircn absorbant exprimate ca raport molar kmoli solutkmol

absorbant la intrarea respectiv la ieşirea din coloană

Tn+1 T1 ndash temperaturile fluxului de gaz la intrarea respectiv la ieşirea din coloană

T0 Tn ndash

temperaturile fluxului de absorbant la intrarea respectiv la ieşirea din coloana de

absorbţie

Algoritmul de calcul al coloanei de absorbţie are următoarele etape

1 - Se determină debitele şi concentraţiile fluxurilor din coloana de absorbţie Din datele

iniţiale de proiectare se calculează debitul molar G0 şi concentraţiile Yn+1 Y1 (ca rapoarte

molare)

2 ndash Se calculează temperatura medie pe coloana de absorbţie şi la această temperatură se

obţin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant Se alege o concentraţie Xn astfel icircncacirct

la determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică să rezulte un număr rezonabil

de talere

3 ndash Se calculează debitul molar L0 prin bilanţ material pe componentul solut icircn jurul

coloanei de absorbţie

0 n 1 0 0 0 1 0 nG Y L X G Y L X (11)

n 1 10 0

n 0

Y YL G

X X

(12)

4 ndash Se verifică temperatura din baza coloanei prin bilanţ termic

5 ndash Se calculează debitele parţiale ale componenţilor la ieşirea din coloană şi

concentraţiile componenţilor icircn fracţii molare

6 ndash Se calculează diametrul şi icircnălţimea coloanei de absorbţie

7 ndash Se estimează pierderile de absorbant la vacircrful coloanei de absorbţie

6

11 Calculul debitelor şi concentraţiilor fluxurilor din coloana de absorbţie

Din datele de intrare se calculează debitul molar de gaz impurificat

T

230000G 427827

224 24

kmoli h

Cunoscacircnd concentraţia H2S icircn gazul purtător (metanul) se calculează debitul molar de

H2S respectiv de metan

n 1H S T H S2 2

G G y 427827 008 34226 kmoli h

0 T metanG G y 427827 092 393601 kmoli h

Se calculează raportul molar n 1Y

n 1

34226Y 00870

393601 kmol H2S kmol metan

sau

n 1n 1

n 1

y 008Y 00870

1 y 1 008

kmol H2S kmol metan

sau

n 1

8Y 00870

92 kmol H2S kmol metan

Din relaţia de definiţie a gradului de absorbţie se calculează raportul molar Y1

n 1 11 n 1

n 1

Y Y100 Y 1 Y

Y

(13)

1Y 1 098 00870 000174 kmol H2S kmol metan

Concentraţia H2S icircn absorbantul sărac se cunoaşte din datele de proiectare

0 2X 005 kmoliH S kmoliMEA

Concentraţia Xn se alege astfel icircncacirct la determinarea numărului de talere teoretice prin

metoda grafică să rezulte un număr rezonabil de talere

n 2Se consider X 06 kmoliH S kmoliMEAă

7

Debitul molar de absorbant L0 se calculează prin bilanţ material icircn jurul coloanei de

absorbţie conturul I din figura 1 cu relatia (12)

0

00870 000174L 393601 610153kmoli h

06 005

0L 610153kmoli h 6108 3726815kg hMEA

Se calculează debitele parţiale ale componenţilor icircn fiecare flux la intrarea şi ieşirea din

coloană şi concentraţiile componenţilor icircn fracţii molare

Debite şi concentraţii icircn fluxul de gaz bogat la intrarea icircn coloană

0G 393601kmoli h 393601 16 6297616 kgh metan

n 1H S2

G 34226 34 1163684 kgh H2S

n 1T 0 H S2

G G G 6297616 1163684 7461300 kgh gaz bogat

Debite şi concentraţii icircn fluxul de gaz sărac la ieşirea din coloană

0G 393601kmoli h 393601 16 6297616 kgh metan

1H S 0 12

G G Y 393601 000174 0685 kmolih H2S

1H S2

G 0685kmoli h 34 2329 kgh H2S neabsorbit

11 0 H S2

G G G 393601 0685 394286 kmolih gaz sărac

11 0 H S2

G G G 6297616 2329 6320906 kgh gaz sărac

1

0685y 000174

393601 0685

fracţii molare H2S

Debite şi concentraţii icircn absorbantul sărac la intrarea icircn coloană

0L 610153kmoli h 6108 3726815 kgh MEA

Cunoscacircnd concentraţia soluţiei de amină (15 masă) se poate calcula debitul de soluţie apoasă

de MEA

0s

100L 3726815 24845433

15 kgh soluţie MEA

8

Soluţia apoasă de MEA este alcătuită din

3726815 kg h MEA iş

24845433 3726815 21118618 kg h ap 1173257kmoli h apă ă

1H S 0 02

L L X 610153 005 30508 kmol h H2S

1H S2

L 30508 34 103727 kg h H2S

1 10 0 H SS 2

L L L 610153 30508 640661 kmolh

1 10 0 H SS S 2

L L L 24845433 103727 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

MEA

610153x 00494

610153 1173257

fracţii molare MEA

apa MEAx 1 x 1 00494 09506 fracţii molare apă

Debite şi concentraţii icircn absorbantul bogat la ieşirea din coloană

nH S 0 n2

L L X 610153 06 36609 kmolih H2S

nH S2

L 36609 34 1244706 kgh H2S

n n0 0 H SS 2

L L L 610153 36609 97624 kmoli h

n n0 0 H SS 2

L L L 24845433 1244706 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

n

36609x 0375

610153 36609

fracţii molare H2S

12 Bilanţ termic pe coloana de absorbţie

Din datele inițiale de proiectare se cunoaște temperatura de intrare a gazului impurificat

n 1T respectiv a absorbantului sărac oT

Icircn funcție de acestea se estimează temperatura la vacircrful coloanei 1T respectiv

temperatura la baza coloanei nT astfel

9

0

1 0T T 5 10 C (14)

0

n n 1T T 10 30 C (15)

Cu relațiile (14) și (15) se estimează temperatura T1 respectiv temperatura Tn

0

1T 30 6 36 C

0

nT 25 25 50 C

Icircn scopul verificării temperaturii Tn din baza coloanei de absorbtie se efectuează un

bilanț termic pe conturul I din figura 1 conform următoarei relații

TT T T T TTn 1 n 1 1 1 R0n 1 n 1 1 1 nn0 0 0 0G L G LS s0 0 0 0

G H G H L h G H G H G h L h (16)

unde

n 1 10 0G G reprezintă debitul de gaz purtător la intrarea ieşirea din coloană kgh

T Tn 1 1G G0 0

H H reprezintă entalpia icircn fază vapori a gazului purtător la temperatura Tn+1 respectiv T1

kJ kg

n 1 1G G reprezintă debitul de H2S la intrarea ieşirea din coloană kg h

T Tn 1 1H H reprezintă entalpia icircn fază vapori a H2S la temperatura Tn+1 respectiv T1 kJ kg

0SL reprezintă debitul soluţiei de absorbant sărac kg h

T T0 nL L0 0

h h reprezintă entalpia icircn faza lichid a absorbantului la temperatura T0 respectiv Tn

kJ kg

RG reprezintă debitul de H2S absorbit kg h

Tnh reprezintă entalpia icircn faza lichid a H2S absorbit la temperatura Tn kJ kg

Consideracircnd că atacirct gazul purtător cacirct şi soluţia de absorbant au aceeaşi compoziţie la

intrarea şi ieşirea din coloană bilanţul termic (16) se poate scrie

T T1 n 10 0 pGo 1 n 1G G0 0

G H H G c T T (17)

T T0 00 0 pGo n 0L LS S0 0

L h h L c T T (18)

10

unde

pG

0

c reprezintă căldura specifică medie izobară a etanului kJ kg0C care se calculează cu

relaţii din literatură

pL0

c reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant kJkg0C care se citeşte din

literatură

De asemenea ținacircnd seama de căldura de reacție ΔHR și de faptul că G1 este foarte mic

și se poate neglija relația (16) se reduce la forma

RR pGo 1 n 1 0 pLo n 0S

G H Gc T T L c T T (19)

RR 0 pLo 0 pGo 1 n 1S

n b

0 pGos

G H L c T Gc T TT T

L c

(110)

Temperatura Tn se verifică cu relația de bilanț termic (110) icircn care debitele fluxurilor

inplicate au fost calculate anterior și anume

0G 393601kmol h 393601 16 6297616 kg h

SoL 24845433 kg h soluţie MEA

RH S 0 n 1 12

G G Y Y 393601 00870 000174 33558 kmoli h H2S

RH S2

G 33558 34 1140972 kg h H2S reacţionat

Căldura specifică medie izobară a gazului purtător (metanul) pGoc se calculează la

temperatura medie aritmetică icircntre T1 şi Tn+1 cu relația

T 2 3

pc A B T C T D T

unde ABCD ndash constante specifice gazului purtător (metanul) care sunt tabelate icircn literatură

01 n 1T T 36 25T 305 C 273 305 3035

2 2

K

11

A= 120286 102

B= 325640

C= 07481610-3

D= - 707198 10-7

tan

305 2 3 2 7 3120286 10 325640 3035 074816 10 3035 ( 707198) 10 3035

22368 2237 0 6

epc

J kg K kJ kg K

Căldura specifică medie a soluţiei de absorbant pLoc se citeşte din grafice la temperatura

medie aritmetică icircntre T0 şi Tn

00 nT T 30 50T 40 C

2 2

Se obține

042 Cp

L0

c 4 kJ kg 0C

Căldura de reacție a H2S cu MEA se citește din tabele din literatură Se obține

ΔHR= 1910 kJ kg

Aplicacircnd relația (110) se obține

n b

1140972 1910 24845433 4 32 6297616 1775 36 25T T

24845433 4

0n bT T 5169 C

Valoarea temperaturii icircn baza coloanei de absorbţie obţinută prin calcul este icircn bună

concordanţă cu valoarea propusă Tn = 500C şi deci calculul temperaturii Tn se consideră icircncheiat

Se calculează temperatura medie pe coloană ca medie aritmetică icircntre T1 şi Tn

1 nm

T T 36 50T 43

2 2

0C

12

13 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de absorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată şi se parcurg

următoarele etape

- la temperatura medie pe coloană şi pentru valori de X cuprinse icircntre X0 şi Xn se citesc

din grafice din literatură valorile presiunii parţiale H2S

- din legea lui Dalton se calculează fracţiile molare ale H2S care apoi se transformă icircn

rapoarte molare Y

- curba de echilibru Y-X se reprezintă icircn grafic semilogaritmic

- se fixează coordonatele punctelor prin care trece dreapta de operare A(X0Y1) şi

B(YnYn+1)

Se alege Xn=06 kmoli H2S kmol MEA

X0= 005 kmol H2S kmol MEA

Yn+1= 00870 kmol H2S kmol metan

Y1= 000174 kmol H2S kmol metan

- pentru reprezentarea dreptei de operare icircn grafic semilogaritmic sunt necesare şi alte

puncte intermediare icircn afara punctelor extreme A şi B Icircn ecuaţia dreptei de operare

se dau valori lui Y icircntre X0 şi Xn şi se calculează valorile lui Y

- se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonatele Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi

curba de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B pacircnă la A

Numărul de orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă

13

Tabelul 11 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă P= 5 bar

X 2kmolH S

kmolMEA 2H Sp bar y= H S2

p P yY

1 y

kmolH2Skmol metan

005 16 10-4

32 10-5

32 10-5

01 59 10-4

118 10-4

118 10-4

02 39 10-3

78 10-4

78 10-4

03 115 10-3

23 10-3

23 10-3

04 45 10-2

9 10-3

908 10-3

05 69 10-2

14 10-2

142 10-2

06 98 10-2

19 10-2

19 10-2

Presupunem Xn = 06 kmol H2S kmol MEA

0L 610153 kmol h MEA

0G 393601 kmol h metan

Tabelul 12 Calculul curbei de operare pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă

X kmol H2S kmol MEA 0

n n 1

0

LY X X Y

G kmol H2S kmol metan

X0= 005 Y1 = 000174

01 000949

02 00250

03 00405

04 00560

05 00715

Xn=06 Yn+1 = 00870

Din graficul din Anexa 1 obţinem un număr de talere Ntt = 175

14

14 Dimensionarea coloanei de absorbţie

141 Diametrul coloanei de absorbţie

Coloana de absorbţie este echipată cu talere cu supape

Calculul diametrului se face conform metodologiei Glitsch

Debitele implicate icircn relaţii au fost calculate icircn subcapitolul11

TG = 7461300 kgh gaz bogat

n0s

L = 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

Masa molară medie a gazului bogat se calculează cu relația (111)

Mv= metan me tan H S H S2 2 M y M y (111)

Mv = 16 092 34 008 1744 kg kmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia (112)

3v

v

n 1

P M 5 17443526kg m

R T 0083 273 25

(112)

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

37461300V 0588m s

3526 3600

Densitatea soluţiei de MEA la ieşirea din coloană se citeşte din grafice din literatură la

temperatura din bază (se neglijează contribuţia H2S absorbit la densitatea soluţiei de absorbant)

ρl = 992 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relația (113)

05

vc

l v

V V

(113)

05

3c

3526V 0588 00351 m s

992 3526

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

26090139L 0438

992 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv= 2074 kgm3 şi s = 06 m şi se obţine

CAF = 042

15

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(114)

C

d

328VLC

30 v FI FS CAF

(115)

05

2

c

B B 314CD

1571

(116)

unde NP=1 FIcirc=07FS=07CAF=042 vd= 012

0438B 005575 0118

1 07 07 042

0438 328 00788C 1378

30 012 07 07 042

05

2

c

0118 0118 314 1378D 1617m

1571

142 Icircnălţimea coloanei de absorbţie

Icircnălţimea coloanei de absorbţie echipată cu talere cu supape se calculează cu relaţia

c TR V bI N 1 s I I (117)

NTR ndash numărul de talere reale din coloană se calculează după calculul eficacităţii medii globale

Icircn lipsa datelor generale de eficacitate Em sau a unor relaţii care să icircnglobeze efectul tuturor

factorilor care influenţează eficacitatea talerelor se recomandă ca Em să se estimeze icircn jur de

15

s ndash distanţa icircntre talere se alege 06 m

16

Icircv ndash icircnălţimea de la ultimul taler la vacircrful coloanei se alege 1 m

Icircb ndash icircnălţimea de la baza coloanei la primul taler din bază se alege 15 m

TTTR

m

N 175N 11667 12

E 015 talere reale

cI 12 1 06 1 15 91 m

15 Calculul pierderilor de absorbant

La vacircrful coloanei de absorbţie au loc pierderi de absorbant datorită antrenărilor cu gaz

inert Aceste pierderi se calculează cu relaţia

c

i ii 1

p 1 c

i ii 1

K xL G

1 K x

(118)

pL - reprezintă debitul molar de absorbant (apă şi amină) pierdut pe la vacircrful coloanei de

absorbţie

1G - debitul de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie kmolih

ix - fracţia molară a componentului i din amestecul absorbant

iK - constanta de echilibru a componentului i din amestecul absorbant la temperatura şi

presiunea de la vacircrful coloanei

Debitul molar de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie precum şi fracţiile

molare ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant sunt calculate anterior Constantele de echilibru

ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant la temperatura şi presiunea de la vacircrful coloanei sunt

2

apa

5

a min

K 1182 10

K 70605 10

5 5

p 5 5

1182 10 09506 70605 10 00494L 393601 4474

1 1182 10 09506 70605 10 00494

kmolih

17

Funcţiile molare icircn faza vapori se calculează cu relaţia

i i iY K x (119)

2

apay 1182 10 09506 00112 fracţii molare

5

aminay 70605 10 00494 000000349 fracţii molare

Pierderile din fiecare component al absorbantului sărac se calculează cu relaţiile

apap p 1 apaL L G y (120)

a min ap p 1 a minaL L G y (121)

yapă yamină ndash fracţiile molare icircn fază vapori

apapL 4474 393601 00112 4458 kmolih

apapL 80244kg h 1925856 kgzi

a min apL 4474 393601 000000349 0001385 kmolh

a min apL 00857kg h 20569 kgzi

Pentru completarea pierderilor de absorbant schema tehnologică a instalaţiei de

eliminare a H2S va fi prevăzută cu vas de completare cu absorbant

18

2 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE DESORBŢIE

Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din soluția de absorbant bogat ce

alimentează coloana de absorbție pentru un debit de abur de stripare dat un număr de talere sau

un strat de umplutură de o anumită icircnălțime Calculul acestora se face icircn funcție de numărul de

talere teoretice Pentru determinarea numărului de talere teoretice se aplică metoda grafică

simplificată iar datele de echilibru se obțin la temperaturi medii mari specifice operațiunii de

desorbție

Icircn practica industrială striparea gazelor acide (și icircn special a H2S) se face cu abur

indirect folosind un refierbător Aburul de stripare care părăsește coloana de vacircrf se condensează

și se reicircntoarce icircn coloană ca reflux

Fluxurile din coloana de stripare şi concentraţiile lor sunt cele simbolizate icircn figura 2

QC

QR

I

V yb

Lrsquox1

L x T0 0 B

TB

V y0 v vT

L x T0 n f

H S2

II

Figura 2 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de stripare

19

Icircn figura 2 semnificaţia simbolurilor este

Lo- reprezintatilde fluxul absorbant kmolih

LR ndash refluxul concentrate icircn apatildekmolih

Xn ndash concentraţia H2S icircn absorbantul bogat kmoli H2S kmol MEA

Xo ndash concentraţia H2S icircn absorbantul sărac kmoli H2S kmol MEA

YB- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din refierbatildetor kmol H2S kmol abur

Yv- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din coloanatilde kmol H2S kmol abur

Algoritmul de calcul al coloanei de desorbție are următoarele etape

1 se determină temperatura la vacircrful coloanei se efectuează bilanțul termic pe coloană

și se calculează debitul de vapori de stripare precum și consumul de abur la

refierbător

2 se calculează temperatura medie pe coloana de desorbție și la această temperatură se

obțin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant

3 se determină diametrul și icircnălțimea coloanei cu metodologia specifică tipului de

dispozitive de contactare (talere sau umplutură)

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vacircrful coloanei de desorbţie se pleacă de la faptul că icircn

condiţii de echilibru presiunea parţială a aburului (component majoritar la vacircrful coloanei) este egală cu

presiunea de vapori a apei Presiunea parţială a solutului ( H S2p ) este dată de legea lui Dalton

2

Tv

H S v abur apaP P y P (21)

unde PV reprezintă presiunea la vacircrful coloanei de desorbţie bar (din datele de proiectare)

20

TvapaP - presiunea de vapori a apei la temperatura de vacircrf

yabur - reprezintă fracţia molară de abur calculată cu relaţia (22)

Rabur R

R H S2

Ly

L G

(22)

LR ndash debitul de reflux calculat cu relaţia (23)

RR H S2

L R G (23)

R ndash raţia de reflux (din datele de proiectare)

RH S2

G - debitul de H2S absorbit kmoli

RL 3 33558 100674 kmolh 1812132kgh apă

abur

100674y 075

100674 33558

fracţii molare abur

TvH S apa2

p 12 075 09bar 750 675 mmHg P

Temperatura la vacircrf se calculează cu relaţia lui Antoine (24)

v

Tvapa

TC

BAlnP

(24)

unde

ABC reprezintă constantele lui Antoine pentru apă

ln v

v

381644675 183036 T 97 C

4613 T

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat icircn coloană este egală cu temperatura

de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie se alege

Tf =80ordmC

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 4: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

4

1 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE ABSORBŢIE

Proiectarea tehnologică a unei astfel de coloane constă icircn stabilirea necesarului de

echilibre a diametrului şi icircnălţimii

Operaţia de absorbţie are rolul de a a elimina din fluxul de gaz impurificat hidrogenul

sulfurat (H2S) folosind ca absorbant soluţia apoasă de monoetanol-amină (MEA) de diferite

concentraţii Icircn cadrul acestui proiect gazul impurificat cu H2S este metanul iar ca absorbant s-a

folosit soluţie apoasă de MEA de concentraţie 15 masă

Fluxurile din coloana de absorbţie şi concentraţiile lor sunt cele prezentate icircn figura 1

Figura 1 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de absorbţie

Semnificaţia simbolurilor este

G0 ndash debitul de gaz purtător (metan) kmolih

5

L0 ndash debitul de absorbant (MEA) kmolih

Yn+1 Y1 ndash concentraţiile solutului (H2S) icircn gazul purtător exprimate ca raport molar kmoli

solut kmol gaz purtător la intrarea respectiv ieşirea din coloană

X0 Xn ndash concentraţiile solutului (H2S) icircn absorbant exprimate ca raport molar kmoli solutkmol

absorbant la intrarea respectiv la ieşirea din coloană

Tn+1 T1 ndash temperaturile fluxului de gaz la intrarea respectiv la ieşirea din coloană

T0 Tn ndash

temperaturile fluxului de absorbant la intrarea respectiv la ieşirea din coloana de

absorbţie

Algoritmul de calcul al coloanei de absorbţie are următoarele etape

1 - Se determină debitele şi concentraţiile fluxurilor din coloana de absorbţie Din datele

iniţiale de proiectare se calculează debitul molar G0 şi concentraţiile Yn+1 Y1 (ca rapoarte

molare)

2 ndash Se calculează temperatura medie pe coloana de absorbţie şi la această temperatură se

obţin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant Se alege o concentraţie Xn astfel icircncacirct

la determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică să rezulte un număr rezonabil

de talere

3 ndash Se calculează debitul molar L0 prin bilanţ material pe componentul solut icircn jurul

coloanei de absorbţie

0 n 1 0 0 0 1 0 nG Y L X G Y L X (11)

n 1 10 0

n 0

Y YL G

X X

(12)

4 ndash Se verifică temperatura din baza coloanei prin bilanţ termic

5 ndash Se calculează debitele parţiale ale componenţilor la ieşirea din coloană şi

concentraţiile componenţilor icircn fracţii molare

6 ndash Se calculează diametrul şi icircnălţimea coloanei de absorbţie

7 ndash Se estimează pierderile de absorbant la vacircrful coloanei de absorbţie

6

11 Calculul debitelor şi concentraţiilor fluxurilor din coloana de absorbţie

Din datele de intrare se calculează debitul molar de gaz impurificat

T

230000G 427827

224 24

kmoli h

Cunoscacircnd concentraţia H2S icircn gazul purtător (metanul) se calculează debitul molar de

H2S respectiv de metan

n 1H S T H S2 2

G G y 427827 008 34226 kmoli h

0 T metanG G y 427827 092 393601 kmoli h

Se calculează raportul molar n 1Y

n 1

34226Y 00870

393601 kmol H2S kmol metan

sau

n 1n 1

n 1

y 008Y 00870

1 y 1 008

kmol H2S kmol metan

sau

n 1

8Y 00870

92 kmol H2S kmol metan

Din relaţia de definiţie a gradului de absorbţie se calculează raportul molar Y1

n 1 11 n 1

n 1

Y Y100 Y 1 Y

Y

(13)

1Y 1 098 00870 000174 kmol H2S kmol metan

Concentraţia H2S icircn absorbantul sărac se cunoaşte din datele de proiectare

0 2X 005 kmoliH S kmoliMEA

Concentraţia Xn se alege astfel icircncacirct la determinarea numărului de talere teoretice prin

metoda grafică să rezulte un număr rezonabil de talere

n 2Se consider X 06 kmoliH S kmoliMEAă

7

Debitul molar de absorbant L0 se calculează prin bilanţ material icircn jurul coloanei de

absorbţie conturul I din figura 1 cu relatia (12)

0

00870 000174L 393601 610153kmoli h

06 005

0L 610153kmoli h 6108 3726815kg hMEA

Se calculează debitele parţiale ale componenţilor icircn fiecare flux la intrarea şi ieşirea din

coloană şi concentraţiile componenţilor icircn fracţii molare

Debite şi concentraţii icircn fluxul de gaz bogat la intrarea icircn coloană

0G 393601kmoli h 393601 16 6297616 kgh metan

n 1H S2

G 34226 34 1163684 kgh H2S

n 1T 0 H S2

G G G 6297616 1163684 7461300 kgh gaz bogat

Debite şi concentraţii icircn fluxul de gaz sărac la ieşirea din coloană

0G 393601kmoli h 393601 16 6297616 kgh metan

1H S 0 12

G G Y 393601 000174 0685 kmolih H2S

1H S2

G 0685kmoli h 34 2329 kgh H2S neabsorbit

11 0 H S2

G G G 393601 0685 394286 kmolih gaz sărac

11 0 H S2

G G G 6297616 2329 6320906 kgh gaz sărac

1

0685y 000174

393601 0685

fracţii molare H2S

Debite şi concentraţii icircn absorbantul sărac la intrarea icircn coloană

0L 610153kmoli h 6108 3726815 kgh MEA

Cunoscacircnd concentraţia soluţiei de amină (15 masă) se poate calcula debitul de soluţie apoasă

de MEA

0s

100L 3726815 24845433

15 kgh soluţie MEA

8

Soluţia apoasă de MEA este alcătuită din

3726815 kg h MEA iş

24845433 3726815 21118618 kg h ap 1173257kmoli h apă ă

1H S 0 02

L L X 610153 005 30508 kmol h H2S

1H S2

L 30508 34 103727 kg h H2S

1 10 0 H SS 2

L L L 610153 30508 640661 kmolh

1 10 0 H SS S 2

L L L 24845433 103727 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

MEA

610153x 00494

610153 1173257

fracţii molare MEA

apa MEAx 1 x 1 00494 09506 fracţii molare apă

Debite şi concentraţii icircn absorbantul bogat la ieşirea din coloană

nH S 0 n2

L L X 610153 06 36609 kmolih H2S

nH S2

L 36609 34 1244706 kgh H2S

n n0 0 H SS 2

L L L 610153 36609 97624 kmoli h

n n0 0 H SS 2

L L L 24845433 1244706 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

n

36609x 0375

610153 36609

fracţii molare H2S

12 Bilanţ termic pe coloana de absorbţie

Din datele inițiale de proiectare se cunoaște temperatura de intrare a gazului impurificat

n 1T respectiv a absorbantului sărac oT

Icircn funcție de acestea se estimează temperatura la vacircrful coloanei 1T respectiv

temperatura la baza coloanei nT astfel

9

0

1 0T T 5 10 C (14)

0

n n 1T T 10 30 C (15)

Cu relațiile (14) și (15) se estimează temperatura T1 respectiv temperatura Tn

0

1T 30 6 36 C

0

nT 25 25 50 C

Icircn scopul verificării temperaturii Tn din baza coloanei de absorbtie se efectuează un

bilanț termic pe conturul I din figura 1 conform următoarei relații

TT T T T TTn 1 n 1 1 1 R0n 1 n 1 1 1 nn0 0 0 0G L G LS s0 0 0 0

G H G H L h G H G H G h L h (16)

unde

n 1 10 0G G reprezintă debitul de gaz purtător la intrarea ieşirea din coloană kgh

T Tn 1 1G G0 0

H H reprezintă entalpia icircn fază vapori a gazului purtător la temperatura Tn+1 respectiv T1

kJ kg

n 1 1G G reprezintă debitul de H2S la intrarea ieşirea din coloană kg h

T Tn 1 1H H reprezintă entalpia icircn fază vapori a H2S la temperatura Tn+1 respectiv T1 kJ kg

0SL reprezintă debitul soluţiei de absorbant sărac kg h

T T0 nL L0 0

h h reprezintă entalpia icircn faza lichid a absorbantului la temperatura T0 respectiv Tn

kJ kg

RG reprezintă debitul de H2S absorbit kg h

Tnh reprezintă entalpia icircn faza lichid a H2S absorbit la temperatura Tn kJ kg

Consideracircnd că atacirct gazul purtător cacirct şi soluţia de absorbant au aceeaşi compoziţie la

intrarea şi ieşirea din coloană bilanţul termic (16) se poate scrie

T T1 n 10 0 pGo 1 n 1G G0 0

G H H G c T T (17)

T T0 00 0 pGo n 0L LS S0 0

L h h L c T T (18)

10

unde

pG

0

c reprezintă căldura specifică medie izobară a etanului kJ kg0C care se calculează cu

relaţii din literatură

pL0

c reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant kJkg0C care se citeşte din

literatură

De asemenea ținacircnd seama de căldura de reacție ΔHR și de faptul că G1 este foarte mic

și se poate neglija relația (16) se reduce la forma

RR pGo 1 n 1 0 pLo n 0S

G H Gc T T L c T T (19)

RR 0 pLo 0 pGo 1 n 1S

n b

0 pGos

G H L c T Gc T TT T

L c

(110)

Temperatura Tn se verifică cu relația de bilanț termic (110) icircn care debitele fluxurilor

inplicate au fost calculate anterior și anume

0G 393601kmol h 393601 16 6297616 kg h

SoL 24845433 kg h soluţie MEA

RH S 0 n 1 12

G G Y Y 393601 00870 000174 33558 kmoli h H2S

RH S2

G 33558 34 1140972 kg h H2S reacţionat

Căldura specifică medie izobară a gazului purtător (metanul) pGoc se calculează la

temperatura medie aritmetică icircntre T1 şi Tn+1 cu relația

T 2 3

pc A B T C T D T

unde ABCD ndash constante specifice gazului purtător (metanul) care sunt tabelate icircn literatură

01 n 1T T 36 25T 305 C 273 305 3035

2 2

K

11

A= 120286 102

B= 325640

C= 07481610-3

D= - 707198 10-7

tan

305 2 3 2 7 3120286 10 325640 3035 074816 10 3035 ( 707198) 10 3035

22368 2237 0 6

epc

J kg K kJ kg K

Căldura specifică medie a soluţiei de absorbant pLoc se citeşte din grafice la temperatura

medie aritmetică icircntre T0 şi Tn

00 nT T 30 50T 40 C

2 2

Se obține

042 Cp

L0

c 4 kJ kg 0C

Căldura de reacție a H2S cu MEA se citește din tabele din literatură Se obține

ΔHR= 1910 kJ kg

Aplicacircnd relația (110) se obține

n b

1140972 1910 24845433 4 32 6297616 1775 36 25T T

24845433 4

0n bT T 5169 C

Valoarea temperaturii icircn baza coloanei de absorbţie obţinută prin calcul este icircn bună

concordanţă cu valoarea propusă Tn = 500C şi deci calculul temperaturii Tn se consideră icircncheiat

Se calculează temperatura medie pe coloană ca medie aritmetică icircntre T1 şi Tn

1 nm

T T 36 50T 43

2 2

0C

12

13 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de absorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată şi se parcurg

următoarele etape

- la temperatura medie pe coloană şi pentru valori de X cuprinse icircntre X0 şi Xn se citesc

din grafice din literatură valorile presiunii parţiale H2S

- din legea lui Dalton se calculează fracţiile molare ale H2S care apoi se transformă icircn

rapoarte molare Y

- curba de echilibru Y-X se reprezintă icircn grafic semilogaritmic

- se fixează coordonatele punctelor prin care trece dreapta de operare A(X0Y1) şi

B(YnYn+1)

Se alege Xn=06 kmoli H2S kmol MEA

X0= 005 kmol H2S kmol MEA

Yn+1= 00870 kmol H2S kmol metan

Y1= 000174 kmol H2S kmol metan

- pentru reprezentarea dreptei de operare icircn grafic semilogaritmic sunt necesare şi alte

puncte intermediare icircn afara punctelor extreme A şi B Icircn ecuaţia dreptei de operare

se dau valori lui Y icircntre X0 şi Xn şi se calculează valorile lui Y

- se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonatele Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi

curba de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B pacircnă la A

Numărul de orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă

13

Tabelul 11 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă P= 5 bar

X 2kmolH S

kmolMEA 2H Sp bar y= H S2

p P yY

1 y

kmolH2Skmol metan

005 16 10-4

32 10-5

32 10-5

01 59 10-4

118 10-4

118 10-4

02 39 10-3

78 10-4

78 10-4

03 115 10-3

23 10-3

23 10-3

04 45 10-2

9 10-3

908 10-3

05 69 10-2

14 10-2

142 10-2

06 98 10-2

19 10-2

19 10-2

Presupunem Xn = 06 kmol H2S kmol MEA

0L 610153 kmol h MEA

0G 393601 kmol h metan

Tabelul 12 Calculul curbei de operare pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă

X kmol H2S kmol MEA 0

n n 1

0

LY X X Y

G kmol H2S kmol metan

X0= 005 Y1 = 000174

01 000949

02 00250

03 00405

04 00560

05 00715

Xn=06 Yn+1 = 00870

Din graficul din Anexa 1 obţinem un număr de talere Ntt = 175

14

14 Dimensionarea coloanei de absorbţie

141 Diametrul coloanei de absorbţie

Coloana de absorbţie este echipată cu talere cu supape

Calculul diametrului se face conform metodologiei Glitsch

Debitele implicate icircn relaţii au fost calculate icircn subcapitolul11

TG = 7461300 kgh gaz bogat

n0s

L = 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

Masa molară medie a gazului bogat se calculează cu relația (111)

Mv= metan me tan H S H S2 2 M y M y (111)

Mv = 16 092 34 008 1744 kg kmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia (112)

3v

v

n 1

P M 5 17443526kg m

R T 0083 273 25

(112)

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

37461300V 0588m s

3526 3600

Densitatea soluţiei de MEA la ieşirea din coloană se citeşte din grafice din literatură la

temperatura din bază (se neglijează contribuţia H2S absorbit la densitatea soluţiei de absorbant)

ρl = 992 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relația (113)

05

vc

l v

V V

(113)

05

3c

3526V 0588 00351 m s

992 3526

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

26090139L 0438

992 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv= 2074 kgm3 şi s = 06 m şi se obţine

CAF = 042

15

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(114)

C

d

328VLC

30 v FI FS CAF

(115)

05

2

c

B B 314CD

1571

(116)

unde NP=1 FIcirc=07FS=07CAF=042 vd= 012

0438B 005575 0118

1 07 07 042

0438 328 00788C 1378

30 012 07 07 042

05

2

c

0118 0118 314 1378D 1617m

1571

142 Icircnălţimea coloanei de absorbţie

Icircnălţimea coloanei de absorbţie echipată cu talere cu supape se calculează cu relaţia

c TR V bI N 1 s I I (117)

NTR ndash numărul de talere reale din coloană se calculează după calculul eficacităţii medii globale

Icircn lipsa datelor generale de eficacitate Em sau a unor relaţii care să icircnglobeze efectul tuturor

factorilor care influenţează eficacitatea talerelor se recomandă ca Em să se estimeze icircn jur de

15

s ndash distanţa icircntre talere se alege 06 m

16

Icircv ndash icircnălţimea de la ultimul taler la vacircrful coloanei se alege 1 m

Icircb ndash icircnălţimea de la baza coloanei la primul taler din bază se alege 15 m

TTTR

m

N 175N 11667 12

E 015 talere reale

cI 12 1 06 1 15 91 m

15 Calculul pierderilor de absorbant

La vacircrful coloanei de absorbţie au loc pierderi de absorbant datorită antrenărilor cu gaz

inert Aceste pierderi se calculează cu relaţia

c

i ii 1

p 1 c

i ii 1

K xL G

1 K x

(118)

pL - reprezintă debitul molar de absorbant (apă şi amină) pierdut pe la vacircrful coloanei de

absorbţie

1G - debitul de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie kmolih

ix - fracţia molară a componentului i din amestecul absorbant

iK - constanta de echilibru a componentului i din amestecul absorbant la temperatura şi

presiunea de la vacircrful coloanei

Debitul molar de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie precum şi fracţiile

molare ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant sunt calculate anterior Constantele de echilibru

ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant la temperatura şi presiunea de la vacircrful coloanei sunt

2

apa

5

a min

K 1182 10

K 70605 10

5 5

p 5 5

1182 10 09506 70605 10 00494L 393601 4474

1 1182 10 09506 70605 10 00494

kmolih

17

Funcţiile molare icircn faza vapori se calculează cu relaţia

i i iY K x (119)

2

apay 1182 10 09506 00112 fracţii molare

5

aminay 70605 10 00494 000000349 fracţii molare

Pierderile din fiecare component al absorbantului sărac se calculează cu relaţiile

apap p 1 apaL L G y (120)

a min ap p 1 a minaL L G y (121)

yapă yamină ndash fracţiile molare icircn fază vapori

apapL 4474 393601 00112 4458 kmolih

apapL 80244kg h 1925856 kgzi

a min apL 4474 393601 000000349 0001385 kmolh

a min apL 00857kg h 20569 kgzi

Pentru completarea pierderilor de absorbant schema tehnologică a instalaţiei de

eliminare a H2S va fi prevăzută cu vas de completare cu absorbant

18

2 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE DESORBŢIE

Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din soluția de absorbant bogat ce

alimentează coloana de absorbție pentru un debit de abur de stripare dat un număr de talere sau

un strat de umplutură de o anumită icircnălțime Calculul acestora se face icircn funcție de numărul de

talere teoretice Pentru determinarea numărului de talere teoretice se aplică metoda grafică

simplificată iar datele de echilibru se obțin la temperaturi medii mari specifice operațiunii de

desorbție

Icircn practica industrială striparea gazelor acide (și icircn special a H2S) se face cu abur

indirect folosind un refierbător Aburul de stripare care părăsește coloana de vacircrf se condensează

și se reicircntoarce icircn coloană ca reflux

Fluxurile din coloana de stripare şi concentraţiile lor sunt cele simbolizate icircn figura 2

QC

QR

I

V yb

Lrsquox1

L x T0 0 B

TB

V y0 v vT

L x T0 n f

H S2

II

Figura 2 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de stripare

19

Icircn figura 2 semnificaţia simbolurilor este

Lo- reprezintatilde fluxul absorbant kmolih

LR ndash refluxul concentrate icircn apatildekmolih

Xn ndash concentraţia H2S icircn absorbantul bogat kmoli H2S kmol MEA

Xo ndash concentraţia H2S icircn absorbantul sărac kmoli H2S kmol MEA

YB- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din refierbatildetor kmol H2S kmol abur

Yv- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din coloanatilde kmol H2S kmol abur

Algoritmul de calcul al coloanei de desorbție are următoarele etape

1 se determină temperatura la vacircrful coloanei se efectuează bilanțul termic pe coloană

și se calculează debitul de vapori de stripare precum și consumul de abur la

refierbător

2 se calculează temperatura medie pe coloana de desorbție și la această temperatură se

obțin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant

3 se determină diametrul și icircnălțimea coloanei cu metodologia specifică tipului de

dispozitive de contactare (talere sau umplutură)

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vacircrful coloanei de desorbţie se pleacă de la faptul că icircn

condiţii de echilibru presiunea parţială a aburului (component majoritar la vacircrful coloanei) este egală cu

presiunea de vapori a apei Presiunea parţială a solutului ( H S2p ) este dată de legea lui Dalton

2

Tv

H S v abur apaP P y P (21)

unde PV reprezintă presiunea la vacircrful coloanei de desorbţie bar (din datele de proiectare)

20

TvapaP - presiunea de vapori a apei la temperatura de vacircrf

yabur - reprezintă fracţia molară de abur calculată cu relaţia (22)

Rabur R

R H S2

Ly

L G

(22)

LR ndash debitul de reflux calculat cu relaţia (23)

RR H S2

L R G (23)

R ndash raţia de reflux (din datele de proiectare)

RH S2

G - debitul de H2S absorbit kmoli

RL 3 33558 100674 kmolh 1812132kgh apă

abur

100674y 075

100674 33558

fracţii molare abur

TvH S apa2

p 12 075 09bar 750 675 mmHg P

Temperatura la vacircrf se calculează cu relaţia lui Antoine (24)

v

Tvapa

TC

BAlnP

(24)

unde

ABC reprezintă constantele lui Antoine pentru apă

ln v

v

381644675 183036 T 97 C

4613 T

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat icircn coloană este egală cu temperatura

de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie se alege

Tf =80ordmC

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 5: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

5

L0 ndash debitul de absorbant (MEA) kmolih

Yn+1 Y1 ndash concentraţiile solutului (H2S) icircn gazul purtător exprimate ca raport molar kmoli

solut kmol gaz purtător la intrarea respectiv ieşirea din coloană

X0 Xn ndash concentraţiile solutului (H2S) icircn absorbant exprimate ca raport molar kmoli solutkmol

absorbant la intrarea respectiv la ieşirea din coloană

Tn+1 T1 ndash temperaturile fluxului de gaz la intrarea respectiv la ieşirea din coloană

T0 Tn ndash

temperaturile fluxului de absorbant la intrarea respectiv la ieşirea din coloana de

absorbţie

Algoritmul de calcul al coloanei de absorbţie are următoarele etape

1 - Se determină debitele şi concentraţiile fluxurilor din coloana de absorbţie Din datele

iniţiale de proiectare se calculează debitul molar G0 şi concentraţiile Yn+1 Y1 (ca rapoarte

molare)

2 ndash Se calculează temperatura medie pe coloana de absorbţie şi la această temperatură se

obţin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant Se alege o concentraţie Xn astfel icircncacirct

la determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică să rezulte un număr rezonabil

de talere

3 ndash Se calculează debitul molar L0 prin bilanţ material pe componentul solut icircn jurul

coloanei de absorbţie

0 n 1 0 0 0 1 0 nG Y L X G Y L X (11)

n 1 10 0

n 0

Y YL G

X X

(12)

4 ndash Se verifică temperatura din baza coloanei prin bilanţ termic

5 ndash Se calculează debitele parţiale ale componenţilor la ieşirea din coloană şi

concentraţiile componenţilor icircn fracţii molare

6 ndash Se calculează diametrul şi icircnălţimea coloanei de absorbţie

7 ndash Se estimează pierderile de absorbant la vacircrful coloanei de absorbţie

6

11 Calculul debitelor şi concentraţiilor fluxurilor din coloana de absorbţie

Din datele de intrare se calculează debitul molar de gaz impurificat

T

230000G 427827

224 24

kmoli h

Cunoscacircnd concentraţia H2S icircn gazul purtător (metanul) se calculează debitul molar de

H2S respectiv de metan

n 1H S T H S2 2

G G y 427827 008 34226 kmoli h

0 T metanG G y 427827 092 393601 kmoli h

Se calculează raportul molar n 1Y

n 1

34226Y 00870

393601 kmol H2S kmol metan

sau

n 1n 1

n 1

y 008Y 00870

1 y 1 008

kmol H2S kmol metan

sau

n 1

8Y 00870

92 kmol H2S kmol metan

Din relaţia de definiţie a gradului de absorbţie se calculează raportul molar Y1

n 1 11 n 1

n 1

Y Y100 Y 1 Y

Y

(13)

1Y 1 098 00870 000174 kmol H2S kmol metan

Concentraţia H2S icircn absorbantul sărac se cunoaşte din datele de proiectare

0 2X 005 kmoliH S kmoliMEA

Concentraţia Xn se alege astfel icircncacirct la determinarea numărului de talere teoretice prin

metoda grafică să rezulte un număr rezonabil de talere

n 2Se consider X 06 kmoliH S kmoliMEAă

7

Debitul molar de absorbant L0 se calculează prin bilanţ material icircn jurul coloanei de

absorbţie conturul I din figura 1 cu relatia (12)

0

00870 000174L 393601 610153kmoli h

06 005

0L 610153kmoli h 6108 3726815kg hMEA

Se calculează debitele parţiale ale componenţilor icircn fiecare flux la intrarea şi ieşirea din

coloană şi concentraţiile componenţilor icircn fracţii molare

Debite şi concentraţii icircn fluxul de gaz bogat la intrarea icircn coloană

0G 393601kmoli h 393601 16 6297616 kgh metan

n 1H S2

G 34226 34 1163684 kgh H2S

n 1T 0 H S2

G G G 6297616 1163684 7461300 kgh gaz bogat

Debite şi concentraţii icircn fluxul de gaz sărac la ieşirea din coloană

0G 393601kmoli h 393601 16 6297616 kgh metan

1H S 0 12

G G Y 393601 000174 0685 kmolih H2S

1H S2

G 0685kmoli h 34 2329 kgh H2S neabsorbit

11 0 H S2

G G G 393601 0685 394286 kmolih gaz sărac

11 0 H S2

G G G 6297616 2329 6320906 kgh gaz sărac

1

0685y 000174

393601 0685

fracţii molare H2S

Debite şi concentraţii icircn absorbantul sărac la intrarea icircn coloană

0L 610153kmoli h 6108 3726815 kgh MEA

Cunoscacircnd concentraţia soluţiei de amină (15 masă) se poate calcula debitul de soluţie apoasă

de MEA

0s

100L 3726815 24845433

15 kgh soluţie MEA

8

Soluţia apoasă de MEA este alcătuită din

3726815 kg h MEA iş

24845433 3726815 21118618 kg h ap 1173257kmoli h apă ă

1H S 0 02

L L X 610153 005 30508 kmol h H2S

1H S2

L 30508 34 103727 kg h H2S

1 10 0 H SS 2

L L L 610153 30508 640661 kmolh

1 10 0 H SS S 2

L L L 24845433 103727 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

MEA

610153x 00494

610153 1173257

fracţii molare MEA

apa MEAx 1 x 1 00494 09506 fracţii molare apă

Debite şi concentraţii icircn absorbantul bogat la ieşirea din coloană

nH S 0 n2

L L X 610153 06 36609 kmolih H2S

nH S2

L 36609 34 1244706 kgh H2S

n n0 0 H SS 2

L L L 610153 36609 97624 kmoli h

n n0 0 H SS 2

L L L 24845433 1244706 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

n

36609x 0375

610153 36609

fracţii molare H2S

12 Bilanţ termic pe coloana de absorbţie

Din datele inițiale de proiectare se cunoaște temperatura de intrare a gazului impurificat

n 1T respectiv a absorbantului sărac oT

Icircn funcție de acestea se estimează temperatura la vacircrful coloanei 1T respectiv

temperatura la baza coloanei nT astfel

9

0

1 0T T 5 10 C (14)

0

n n 1T T 10 30 C (15)

Cu relațiile (14) și (15) se estimează temperatura T1 respectiv temperatura Tn

0

1T 30 6 36 C

0

nT 25 25 50 C

Icircn scopul verificării temperaturii Tn din baza coloanei de absorbtie se efectuează un

bilanț termic pe conturul I din figura 1 conform următoarei relații

TT T T T TTn 1 n 1 1 1 R0n 1 n 1 1 1 nn0 0 0 0G L G LS s0 0 0 0

G H G H L h G H G H G h L h (16)

unde

n 1 10 0G G reprezintă debitul de gaz purtător la intrarea ieşirea din coloană kgh

T Tn 1 1G G0 0

H H reprezintă entalpia icircn fază vapori a gazului purtător la temperatura Tn+1 respectiv T1

kJ kg

n 1 1G G reprezintă debitul de H2S la intrarea ieşirea din coloană kg h

T Tn 1 1H H reprezintă entalpia icircn fază vapori a H2S la temperatura Tn+1 respectiv T1 kJ kg

0SL reprezintă debitul soluţiei de absorbant sărac kg h

T T0 nL L0 0

h h reprezintă entalpia icircn faza lichid a absorbantului la temperatura T0 respectiv Tn

kJ kg

RG reprezintă debitul de H2S absorbit kg h

Tnh reprezintă entalpia icircn faza lichid a H2S absorbit la temperatura Tn kJ kg

Consideracircnd că atacirct gazul purtător cacirct şi soluţia de absorbant au aceeaşi compoziţie la

intrarea şi ieşirea din coloană bilanţul termic (16) se poate scrie

T T1 n 10 0 pGo 1 n 1G G0 0

G H H G c T T (17)

T T0 00 0 pGo n 0L LS S0 0

L h h L c T T (18)

10

unde

pG

0

c reprezintă căldura specifică medie izobară a etanului kJ kg0C care se calculează cu

relaţii din literatură

pL0

c reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant kJkg0C care se citeşte din

literatură

De asemenea ținacircnd seama de căldura de reacție ΔHR și de faptul că G1 este foarte mic

și se poate neglija relația (16) se reduce la forma

RR pGo 1 n 1 0 pLo n 0S

G H Gc T T L c T T (19)

RR 0 pLo 0 pGo 1 n 1S

n b

0 pGos

G H L c T Gc T TT T

L c

(110)

Temperatura Tn se verifică cu relația de bilanț termic (110) icircn care debitele fluxurilor

inplicate au fost calculate anterior și anume

0G 393601kmol h 393601 16 6297616 kg h

SoL 24845433 kg h soluţie MEA

RH S 0 n 1 12

G G Y Y 393601 00870 000174 33558 kmoli h H2S

RH S2

G 33558 34 1140972 kg h H2S reacţionat

Căldura specifică medie izobară a gazului purtător (metanul) pGoc se calculează la

temperatura medie aritmetică icircntre T1 şi Tn+1 cu relația

T 2 3

pc A B T C T D T

unde ABCD ndash constante specifice gazului purtător (metanul) care sunt tabelate icircn literatură

01 n 1T T 36 25T 305 C 273 305 3035

2 2

K

11

A= 120286 102

B= 325640

C= 07481610-3

D= - 707198 10-7

tan

305 2 3 2 7 3120286 10 325640 3035 074816 10 3035 ( 707198) 10 3035

22368 2237 0 6

epc

J kg K kJ kg K

Căldura specifică medie a soluţiei de absorbant pLoc se citeşte din grafice la temperatura

medie aritmetică icircntre T0 şi Tn

00 nT T 30 50T 40 C

2 2

Se obține

042 Cp

L0

c 4 kJ kg 0C

Căldura de reacție a H2S cu MEA se citește din tabele din literatură Se obține

ΔHR= 1910 kJ kg

Aplicacircnd relația (110) se obține

n b

1140972 1910 24845433 4 32 6297616 1775 36 25T T

24845433 4

0n bT T 5169 C

Valoarea temperaturii icircn baza coloanei de absorbţie obţinută prin calcul este icircn bună

concordanţă cu valoarea propusă Tn = 500C şi deci calculul temperaturii Tn se consideră icircncheiat

Se calculează temperatura medie pe coloană ca medie aritmetică icircntre T1 şi Tn

1 nm

T T 36 50T 43

2 2

0C

12

13 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de absorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată şi se parcurg

următoarele etape

- la temperatura medie pe coloană şi pentru valori de X cuprinse icircntre X0 şi Xn se citesc

din grafice din literatură valorile presiunii parţiale H2S

- din legea lui Dalton se calculează fracţiile molare ale H2S care apoi se transformă icircn

rapoarte molare Y

- curba de echilibru Y-X se reprezintă icircn grafic semilogaritmic

- se fixează coordonatele punctelor prin care trece dreapta de operare A(X0Y1) şi

B(YnYn+1)

Se alege Xn=06 kmoli H2S kmol MEA

X0= 005 kmol H2S kmol MEA

Yn+1= 00870 kmol H2S kmol metan

Y1= 000174 kmol H2S kmol metan

- pentru reprezentarea dreptei de operare icircn grafic semilogaritmic sunt necesare şi alte

puncte intermediare icircn afara punctelor extreme A şi B Icircn ecuaţia dreptei de operare

se dau valori lui Y icircntre X0 şi Xn şi se calculează valorile lui Y

- se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonatele Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi

curba de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B pacircnă la A

Numărul de orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă

13

Tabelul 11 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă P= 5 bar

X 2kmolH S

kmolMEA 2H Sp bar y= H S2

p P yY

1 y

kmolH2Skmol metan

005 16 10-4

32 10-5

32 10-5

01 59 10-4

118 10-4

118 10-4

02 39 10-3

78 10-4

78 10-4

03 115 10-3

23 10-3

23 10-3

04 45 10-2

9 10-3

908 10-3

05 69 10-2

14 10-2

142 10-2

06 98 10-2

19 10-2

19 10-2

Presupunem Xn = 06 kmol H2S kmol MEA

0L 610153 kmol h MEA

0G 393601 kmol h metan

Tabelul 12 Calculul curbei de operare pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă

X kmol H2S kmol MEA 0

n n 1

0

LY X X Y

G kmol H2S kmol metan

X0= 005 Y1 = 000174

01 000949

02 00250

03 00405

04 00560

05 00715

Xn=06 Yn+1 = 00870

Din graficul din Anexa 1 obţinem un număr de talere Ntt = 175

14

14 Dimensionarea coloanei de absorbţie

141 Diametrul coloanei de absorbţie

Coloana de absorbţie este echipată cu talere cu supape

Calculul diametrului se face conform metodologiei Glitsch

Debitele implicate icircn relaţii au fost calculate icircn subcapitolul11

TG = 7461300 kgh gaz bogat

n0s

L = 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

Masa molară medie a gazului bogat se calculează cu relația (111)

Mv= metan me tan H S H S2 2 M y M y (111)

Mv = 16 092 34 008 1744 kg kmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia (112)

3v

v

n 1

P M 5 17443526kg m

R T 0083 273 25

(112)

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

37461300V 0588m s

3526 3600

Densitatea soluţiei de MEA la ieşirea din coloană se citeşte din grafice din literatură la

temperatura din bază (se neglijează contribuţia H2S absorbit la densitatea soluţiei de absorbant)

ρl = 992 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relația (113)

05

vc

l v

V V

(113)

05

3c

3526V 0588 00351 m s

992 3526

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

26090139L 0438

992 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv= 2074 kgm3 şi s = 06 m şi se obţine

CAF = 042

15

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(114)

C

d

328VLC

30 v FI FS CAF

(115)

05

2

c

B B 314CD

1571

(116)

unde NP=1 FIcirc=07FS=07CAF=042 vd= 012

0438B 005575 0118

1 07 07 042

0438 328 00788C 1378

30 012 07 07 042

05

2

c

0118 0118 314 1378D 1617m

1571

142 Icircnălţimea coloanei de absorbţie

Icircnălţimea coloanei de absorbţie echipată cu talere cu supape se calculează cu relaţia

c TR V bI N 1 s I I (117)

NTR ndash numărul de talere reale din coloană se calculează după calculul eficacităţii medii globale

Icircn lipsa datelor generale de eficacitate Em sau a unor relaţii care să icircnglobeze efectul tuturor

factorilor care influenţează eficacitatea talerelor se recomandă ca Em să se estimeze icircn jur de

15

s ndash distanţa icircntre talere se alege 06 m

16

Icircv ndash icircnălţimea de la ultimul taler la vacircrful coloanei se alege 1 m

Icircb ndash icircnălţimea de la baza coloanei la primul taler din bază se alege 15 m

TTTR

m

N 175N 11667 12

E 015 talere reale

cI 12 1 06 1 15 91 m

15 Calculul pierderilor de absorbant

La vacircrful coloanei de absorbţie au loc pierderi de absorbant datorită antrenărilor cu gaz

inert Aceste pierderi se calculează cu relaţia

c

i ii 1

p 1 c

i ii 1

K xL G

1 K x

(118)

pL - reprezintă debitul molar de absorbant (apă şi amină) pierdut pe la vacircrful coloanei de

absorbţie

1G - debitul de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie kmolih

ix - fracţia molară a componentului i din amestecul absorbant

iK - constanta de echilibru a componentului i din amestecul absorbant la temperatura şi

presiunea de la vacircrful coloanei

Debitul molar de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie precum şi fracţiile

molare ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant sunt calculate anterior Constantele de echilibru

ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant la temperatura şi presiunea de la vacircrful coloanei sunt

2

apa

5

a min

K 1182 10

K 70605 10

5 5

p 5 5

1182 10 09506 70605 10 00494L 393601 4474

1 1182 10 09506 70605 10 00494

kmolih

17

Funcţiile molare icircn faza vapori se calculează cu relaţia

i i iY K x (119)

2

apay 1182 10 09506 00112 fracţii molare

5

aminay 70605 10 00494 000000349 fracţii molare

Pierderile din fiecare component al absorbantului sărac se calculează cu relaţiile

apap p 1 apaL L G y (120)

a min ap p 1 a minaL L G y (121)

yapă yamină ndash fracţiile molare icircn fază vapori

apapL 4474 393601 00112 4458 kmolih

apapL 80244kg h 1925856 kgzi

a min apL 4474 393601 000000349 0001385 kmolh

a min apL 00857kg h 20569 kgzi

Pentru completarea pierderilor de absorbant schema tehnologică a instalaţiei de

eliminare a H2S va fi prevăzută cu vas de completare cu absorbant

18

2 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE DESORBŢIE

Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din soluția de absorbant bogat ce

alimentează coloana de absorbție pentru un debit de abur de stripare dat un număr de talere sau

un strat de umplutură de o anumită icircnălțime Calculul acestora se face icircn funcție de numărul de

talere teoretice Pentru determinarea numărului de talere teoretice se aplică metoda grafică

simplificată iar datele de echilibru se obțin la temperaturi medii mari specifice operațiunii de

desorbție

Icircn practica industrială striparea gazelor acide (și icircn special a H2S) se face cu abur

indirect folosind un refierbător Aburul de stripare care părăsește coloana de vacircrf se condensează

și se reicircntoarce icircn coloană ca reflux

Fluxurile din coloana de stripare şi concentraţiile lor sunt cele simbolizate icircn figura 2

QC

QR

I

V yb

Lrsquox1

L x T0 0 B

TB

V y0 v vT

L x T0 n f

H S2

II

Figura 2 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de stripare

19

Icircn figura 2 semnificaţia simbolurilor este

Lo- reprezintatilde fluxul absorbant kmolih

LR ndash refluxul concentrate icircn apatildekmolih

Xn ndash concentraţia H2S icircn absorbantul bogat kmoli H2S kmol MEA

Xo ndash concentraţia H2S icircn absorbantul sărac kmoli H2S kmol MEA

YB- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din refierbatildetor kmol H2S kmol abur

Yv- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din coloanatilde kmol H2S kmol abur

Algoritmul de calcul al coloanei de desorbție are următoarele etape

1 se determină temperatura la vacircrful coloanei se efectuează bilanțul termic pe coloană

și se calculează debitul de vapori de stripare precum și consumul de abur la

refierbător

2 se calculează temperatura medie pe coloana de desorbție și la această temperatură se

obțin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant

3 se determină diametrul și icircnălțimea coloanei cu metodologia specifică tipului de

dispozitive de contactare (talere sau umplutură)

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vacircrful coloanei de desorbţie se pleacă de la faptul că icircn

condiţii de echilibru presiunea parţială a aburului (component majoritar la vacircrful coloanei) este egală cu

presiunea de vapori a apei Presiunea parţială a solutului ( H S2p ) este dată de legea lui Dalton

2

Tv

H S v abur apaP P y P (21)

unde PV reprezintă presiunea la vacircrful coloanei de desorbţie bar (din datele de proiectare)

20

TvapaP - presiunea de vapori a apei la temperatura de vacircrf

yabur - reprezintă fracţia molară de abur calculată cu relaţia (22)

Rabur R

R H S2

Ly

L G

(22)

LR ndash debitul de reflux calculat cu relaţia (23)

RR H S2

L R G (23)

R ndash raţia de reflux (din datele de proiectare)

RH S2

G - debitul de H2S absorbit kmoli

RL 3 33558 100674 kmolh 1812132kgh apă

abur

100674y 075

100674 33558

fracţii molare abur

TvH S apa2

p 12 075 09bar 750 675 mmHg P

Temperatura la vacircrf se calculează cu relaţia lui Antoine (24)

v

Tvapa

TC

BAlnP

(24)

unde

ABC reprezintă constantele lui Antoine pentru apă

ln v

v

381644675 183036 T 97 C

4613 T

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat icircn coloană este egală cu temperatura

de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie se alege

Tf =80ordmC

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 6: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

6

11 Calculul debitelor şi concentraţiilor fluxurilor din coloana de absorbţie

Din datele de intrare se calculează debitul molar de gaz impurificat

T

230000G 427827

224 24

kmoli h

Cunoscacircnd concentraţia H2S icircn gazul purtător (metanul) se calculează debitul molar de

H2S respectiv de metan

n 1H S T H S2 2

G G y 427827 008 34226 kmoli h

0 T metanG G y 427827 092 393601 kmoli h

Se calculează raportul molar n 1Y

n 1

34226Y 00870

393601 kmol H2S kmol metan

sau

n 1n 1

n 1

y 008Y 00870

1 y 1 008

kmol H2S kmol metan

sau

n 1

8Y 00870

92 kmol H2S kmol metan

Din relaţia de definiţie a gradului de absorbţie se calculează raportul molar Y1

n 1 11 n 1

n 1

Y Y100 Y 1 Y

Y

(13)

1Y 1 098 00870 000174 kmol H2S kmol metan

Concentraţia H2S icircn absorbantul sărac se cunoaşte din datele de proiectare

0 2X 005 kmoliH S kmoliMEA

Concentraţia Xn se alege astfel icircncacirct la determinarea numărului de talere teoretice prin

metoda grafică să rezulte un număr rezonabil de talere

n 2Se consider X 06 kmoliH S kmoliMEAă

7

Debitul molar de absorbant L0 se calculează prin bilanţ material icircn jurul coloanei de

absorbţie conturul I din figura 1 cu relatia (12)

0

00870 000174L 393601 610153kmoli h

06 005

0L 610153kmoli h 6108 3726815kg hMEA

Se calculează debitele parţiale ale componenţilor icircn fiecare flux la intrarea şi ieşirea din

coloană şi concentraţiile componenţilor icircn fracţii molare

Debite şi concentraţii icircn fluxul de gaz bogat la intrarea icircn coloană

0G 393601kmoli h 393601 16 6297616 kgh metan

n 1H S2

G 34226 34 1163684 kgh H2S

n 1T 0 H S2

G G G 6297616 1163684 7461300 kgh gaz bogat

Debite şi concentraţii icircn fluxul de gaz sărac la ieşirea din coloană

0G 393601kmoli h 393601 16 6297616 kgh metan

1H S 0 12

G G Y 393601 000174 0685 kmolih H2S

1H S2

G 0685kmoli h 34 2329 kgh H2S neabsorbit

11 0 H S2

G G G 393601 0685 394286 kmolih gaz sărac

11 0 H S2

G G G 6297616 2329 6320906 kgh gaz sărac

1

0685y 000174

393601 0685

fracţii molare H2S

Debite şi concentraţii icircn absorbantul sărac la intrarea icircn coloană

0L 610153kmoli h 6108 3726815 kgh MEA

Cunoscacircnd concentraţia soluţiei de amină (15 masă) se poate calcula debitul de soluţie apoasă

de MEA

0s

100L 3726815 24845433

15 kgh soluţie MEA

8

Soluţia apoasă de MEA este alcătuită din

3726815 kg h MEA iş

24845433 3726815 21118618 kg h ap 1173257kmoli h apă ă

1H S 0 02

L L X 610153 005 30508 kmol h H2S

1H S2

L 30508 34 103727 kg h H2S

1 10 0 H SS 2

L L L 610153 30508 640661 kmolh

1 10 0 H SS S 2

L L L 24845433 103727 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

MEA

610153x 00494

610153 1173257

fracţii molare MEA

apa MEAx 1 x 1 00494 09506 fracţii molare apă

Debite şi concentraţii icircn absorbantul bogat la ieşirea din coloană

nH S 0 n2

L L X 610153 06 36609 kmolih H2S

nH S2

L 36609 34 1244706 kgh H2S

n n0 0 H SS 2

L L L 610153 36609 97624 kmoli h

n n0 0 H SS 2

L L L 24845433 1244706 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

n

36609x 0375

610153 36609

fracţii molare H2S

12 Bilanţ termic pe coloana de absorbţie

Din datele inițiale de proiectare se cunoaște temperatura de intrare a gazului impurificat

n 1T respectiv a absorbantului sărac oT

Icircn funcție de acestea se estimează temperatura la vacircrful coloanei 1T respectiv

temperatura la baza coloanei nT astfel

9

0

1 0T T 5 10 C (14)

0

n n 1T T 10 30 C (15)

Cu relațiile (14) și (15) se estimează temperatura T1 respectiv temperatura Tn

0

1T 30 6 36 C

0

nT 25 25 50 C

Icircn scopul verificării temperaturii Tn din baza coloanei de absorbtie se efectuează un

bilanț termic pe conturul I din figura 1 conform următoarei relații

TT T T T TTn 1 n 1 1 1 R0n 1 n 1 1 1 nn0 0 0 0G L G LS s0 0 0 0

G H G H L h G H G H G h L h (16)

unde

n 1 10 0G G reprezintă debitul de gaz purtător la intrarea ieşirea din coloană kgh

T Tn 1 1G G0 0

H H reprezintă entalpia icircn fază vapori a gazului purtător la temperatura Tn+1 respectiv T1

kJ kg

n 1 1G G reprezintă debitul de H2S la intrarea ieşirea din coloană kg h

T Tn 1 1H H reprezintă entalpia icircn fază vapori a H2S la temperatura Tn+1 respectiv T1 kJ kg

0SL reprezintă debitul soluţiei de absorbant sărac kg h

T T0 nL L0 0

h h reprezintă entalpia icircn faza lichid a absorbantului la temperatura T0 respectiv Tn

kJ kg

RG reprezintă debitul de H2S absorbit kg h

Tnh reprezintă entalpia icircn faza lichid a H2S absorbit la temperatura Tn kJ kg

Consideracircnd că atacirct gazul purtător cacirct şi soluţia de absorbant au aceeaşi compoziţie la

intrarea şi ieşirea din coloană bilanţul termic (16) se poate scrie

T T1 n 10 0 pGo 1 n 1G G0 0

G H H G c T T (17)

T T0 00 0 pGo n 0L LS S0 0

L h h L c T T (18)

10

unde

pG

0

c reprezintă căldura specifică medie izobară a etanului kJ kg0C care se calculează cu

relaţii din literatură

pL0

c reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant kJkg0C care se citeşte din

literatură

De asemenea ținacircnd seama de căldura de reacție ΔHR și de faptul că G1 este foarte mic

și se poate neglija relația (16) se reduce la forma

RR pGo 1 n 1 0 pLo n 0S

G H Gc T T L c T T (19)

RR 0 pLo 0 pGo 1 n 1S

n b

0 pGos

G H L c T Gc T TT T

L c

(110)

Temperatura Tn se verifică cu relația de bilanț termic (110) icircn care debitele fluxurilor

inplicate au fost calculate anterior și anume

0G 393601kmol h 393601 16 6297616 kg h

SoL 24845433 kg h soluţie MEA

RH S 0 n 1 12

G G Y Y 393601 00870 000174 33558 kmoli h H2S

RH S2

G 33558 34 1140972 kg h H2S reacţionat

Căldura specifică medie izobară a gazului purtător (metanul) pGoc se calculează la

temperatura medie aritmetică icircntre T1 şi Tn+1 cu relația

T 2 3

pc A B T C T D T

unde ABCD ndash constante specifice gazului purtător (metanul) care sunt tabelate icircn literatură

01 n 1T T 36 25T 305 C 273 305 3035

2 2

K

11

A= 120286 102

B= 325640

C= 07481610-3

D= - 707198 10-7

tan

305 2 3 2 7 3120286 10 325640 3035 074816 10 3035 ( 707198) 10 3035

22368 2237 0 6

epc

J kg K kJ kg K

Căldura specifică medie a soluţiei de absorbant pLoc se citeşte din grafice la temperatura

medie aritmetică icircntre T0 şi Tn

00 nT T 30 50T 40 C

2 2

Se obține

042 Cp

L0

c 4 kJ kg 0C

Căldura de reacție a H2S cu MEA se citește din tabele din literatură Se obține

ΔHR= 1910 kJ kg

Aplicacircnd relația (110) se obține

n b

1140972 1910 24845433 4 32 6297616 1775 36 25T T

24845433 4

0n bT T 5169 C

Valoarea temperaturii icircn baza coloanei de absorbţie obţinută prin calcul este icircn bună

concordanţă cu valoarea propusă Tn = 500C şi deci calculul temperaturii Tn se consideră icircncheiat

Se calculează temperatura medie pe coloană ca medie aritmetică icircntre T1 şi Tn

1 nm

T T 36 50T 43

2 2

0C

12

13 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de absorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată şi se parcurg

următoarele etape

- la temperatura medie pe coloană şi pentru valori de X cuprinse icircntre X0 şi Xn se citesc

din grafice din literatură valorile presiunii parţiale H2S

- din legea lui Dalton se calculează fracţiile molare ale H2S care apoi se transformă icircn

rapoarte molare Y

- curba de echilibru Y-X se reprezintă icircn grafic semilogaritmic

- se fixează coordonatele punctelor prin care trece dreapta de operare A(X0Y1) şi

B(YnYn+1)

Se alege Xn=06 kmoli H2S kmol MEA

X0= 005 kmol H2S kmol MEA

Yn+1= 00870 kmol H2S kmol metan

Y1= 000174 kmol H2S kmol metan

- pentru reprezentarea dreptei de operare icircn grafic semilogaritmic sunt necesare şi alte

puncte intermediare icircn afara punctelor extreme A şi B Icircn ecuaţia dreptei de operare

se dau valori lui Y icircntre X0 şi Xn şi se calculează valorile lui Y

- se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonatele Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi

curba de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B pacircnă la A

Numărul de orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă

13

Tabelul 11 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă P= 5 bar

X 2kmolH S

kmolMEA 2H Sp bar y= H S2

p P yY

1 y

kmolH2Skmol metan

005 16 10-4

32 10-5

32 10-5

01 59 10-4

118 10-4

118 10-4

02 39 10-3

78 10-4

78 10-4

03 115 10-3

23 10-3

23 10-3

04 45 10-2

9 10-3

908 10-3

05 69 10-2

14 10-2

142 10-2

06 98 10-2

19 10-2

19 10-2

Presupunem Xn = 06 kmol H2S kmol MEA

0L 610153 kmol h MEA

0G 393601 kmol h metan

Tabelul 12 Calculul curbei de operare pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă

X kmol H2S kmol MEA 0

n n 1

0

LY X X Y

G kmol H2S kmol metan

X0= 005 Y1 = 000174

01 000949

02 00250

03 00405

04 00560

05 00715

Xn=06 Yn+1 = 00870

Din graficul din Anexa 1 obţinem un număr de talere Ntt = 175

14

14 Dimensionarea coloanei de absorbţie

141 Diametrul coloanei de absorbţie

Coloana de absorbţie este echipată cu talere cu supape

Calculul diametrului se face conform metodologiei Glitsch

Debitele implicate icircn relaţii au fost calculate icircn subcapitolul11

TG = 7461300 kgh gaz bogat

n0s

L = 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

Masa molară medie a gazului bogat se calculează cu relația (111)

Mv= metan me tan H S H S2 2 M y M y (111)

Mv = 16 092 34 008 1744 kg kmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia (112)

3v

v

n 1

P M 5 17443526kg m

R T 0083 273 25

(112)

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

37461300V 0588m s

3526 3600

Densitatea soluţiei de MEA la ieşirea din coloană se citeşte din grafice din literatură la

temperatura din bază (se neglijează contribuţia H2S absorbit la densitatea soluţiei de absorbant)

ρl = 992 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relația (113)

05

vc

l v

V V

(113)

05

3c

3526V 0588 00351 m s

992 3526

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

26090139L 0438

992 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv= 2074 kgm3 şi s = 06 m şi se obţine

CAF = 042

15

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(114)

C

d

328VLC

30 v FI FS CAF

(115)

05

2

c

B B 314CD

1571

(116)

unde NP=1 FIcirc=07FS=07CAF=042 vd= 012

0438B 005575 0118

1 07 07 042

0438 328 00788C 1378

30 012 07 07 042

05

2

c

0118 0118 314 1378D 1617m

1571

142 Icircnălţimea coloanei de absorbţie

Icircnălţimea coloanei de absorbţie echipată cu talere cu supape se calculează cu relaţia

c TR V bI N 1 s I I (117)

NTR ndash numărul de talere reale din coloană se calculează după calculul eficacităţii medii globale

Icircn lipsa datelor generale de eficacitate Em sau a unor relaţii care să icircnglobeze efectul tuturor

factorilor care influenţează eficacitatea talerelor se recomandă ca Em să se estimeze icircn jur de

15

s ndash distanţa icircntre talere se alege 06 m

16

Icircv ndash icircnălţimea de la ultimul taler la vacircrful coloanei se alege 1 m

Icircb ndash icircnălţimea de la baza coloanei la primul taler din bază se alege 15 m

TTTR

m

N 175N 11667 12

E 015 talere reale

cI 12 1 06 1 15 91 m

15 Calculul pierderilor de absorbant

La vacircrful coloanei de absorbţie au loc pierderi de absorbant datorită antrenărilor cu gaz

inert Aceste pierderi se calculează cu relaţia

c

i ii 1

p 1 c

i ii 1

K xL G

1 K x

(118)

pL - reprezintă debitul molar de absorbant (apă şi amină) pierdut pe la vacircrful coloanei de

absorbţie

1G - debitul de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie kmolih

ix - fracţia molară a componentului i din amestecul absorbant

iK - constanta de echilibru a componentului i din amestecul absorbant la temperatura şi

presiunea de la vacircrful coloanei

Debitul molar de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie precum şi fracţiile

molare ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant sunt calculate anterior Constantele de echilibru

ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant la temperatura şi presiunea de la vacircrful coloanei sunt

2

apa

5

a min

K 1182 10

K 70605 10

5 5

p 5 5

1182 10 09506 70605 10 00494L 393601 4474

1 1182 10 09506 70605 10 00494

kmolih

17

Funcţiile molare icircn faza vapori se calculează cu relaţia

i i iY K x (119)

2

apay 1182 10 09506 00112 fracţii molare

5

aminay 70605 10 00494 000000349 fracţii molare

Pierderile din fiecare component al absorbantului sărac se calculează cu relaţiile

apap p 1 apaL L G y (120)

a min ap p 1 a minaL L G y (121)

yapă yamină ndash fracţiile molare icircn fază vapori

apapL 4474 393601 00112 4458 kmolih

apapL 80244kg h 1925856 kgzi

a min apL 4474 393601 000000349 0001385 kmolh

a min apL 00857kg h 20569 kgzi

Pentru completarea pierderilor de absorbant schema tehnologică a instalaţiei de

eliminare a H2S va fi prevăzută cu vas de completare cu absorbant

18

2 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE DESORBŢIE

Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din soluția de absorbant bogat ce

alimentează coloana de absorbție pentru un debit de abur de stripare dat un număr de talere sau

un strat de umplutură de o anumită icircnălțime Calculul acestora se face icircn funcție de numărul de

talere teoretice Pentru determinarea numărului de talere teoretice se aplică metoda grafică

simplificată iar datele de echilibru se obțin la temperaturi medii mari specifice operațiunii de

desorbție

Icircn practica industrială striparea gazelor acide (și icircn special a H2S) se face cu abur

indirect folosind un refierbător Aburul de stripare care părăsește coloana de vacircrf se condensează

și se reicircntoarce icircn coloană ca reflux

Fluxurile din coloana de stripare şi concentraţiile lor sunt cele simbolizate icircn figura 2

QC

QR

I

V yb

Lrsquox1

L x T0 0 B

TB

V y0 v vT

L x T0 n f

H S2

II

Figura 2 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de stripare

19

Icircn figura 2 semnificaţia simbolurilor este

Lo- reprezintatilde fluxul absorbant kmolih

LR ndash refluxul concentrate icircn apatildekmolih

Xn ndash concentraţia H2S icircn absorbantul bogat kmoli H2S kmol MEA

Xo ndash concentraţia H2S icircn absorbantul sărac kmoli H2S kmol MEA

YB- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din refierbatildetor kmol H2S kmol abur

Yv- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din coloanatilde kmol H2S kmol abur

Algoritmul de calcul al coloanei de desorbție are următoarele etape

1 se determină temperatura la vacircrful coloanei se efectuează bilanțul termic pe coloană

și se calculează debitul de vapori de stripare precum și consumul de abur la

refierbător

2 se calculează temperatura medie pe coloana de desorbție și la această temperatură se

obțin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant

3 se determină diametrul și icircnălțimea coloanei cu metodologia specifică tipului de

dispozitive de contactare (talere sau umplutură)

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vacircrful coloanei de desorbţie se pleacă de la faptul că icircn

condiţii de echilibru presiunea parţială a aburului (component majoritar la vacircrful coloanei) este egală cu

presiunea de vapori a apei Presiunea parţială a solutului ( H S2p ) este dată de legea lui Dalton

2

Tv

H S v abur apaP P y P (21)

unde PV reprezintă presiunea la vacircrful coloanei de desorbţie bar (din datele de proiectare)

20

TvapaP - presiunea de vapori a apei la temperatura de vacircrf

yabur - reprezintă fracţia molară de abur calculată cu relaţia (22)

Rabur R

R H S2

Ly

L G

(22)

LR ndash debitul de reflux calculat cu relaţia (23)

RR H S2

L R G (23)

R ndash raţia de reflux (din datele de proiectare)

RH S2

G - debitul de H2S absorbit kmoli

RL 3 33558 100674 kmolh 1812132kgh apă

abur

100674y 075

100674 33558

fracţii molare abur

TvH S apa2

p 12 075 09bar 750 675 mmHg P

Temperatura la vacircrf se calculează cu relaţia lui Antoine (24)

v

Tvapa

TC

BAlnP

(24)

unde

ABC reprezintă constantele lui Antoine pentru apă

ln v

v

381644675 183036 T 97 C

4613 T

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat icircn coloană este egală cu temperatura

de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie se alege

Tf =80ordmC

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 7: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

7

Debitul molar de absorbant L0 se calculează prin bilanţ material icircn jurul coloanei de

absorbţie conturul I din figura 1 cu relatia (12)

0

00870 000174L 393601 610153kmoli h

06 005

0L 610153kmoli h 6108 3726815kg hMEA

Se calculează debitele parţiale ale componenţilor icircn fiecare flux la intrarea şi ieşirea din

coloană şi concentraţiile componenţilor icircn fracţii molare

Debite şi concentraţii icircn fluxul de gaz bogat la intrarea icircn coloană

0G 393601kmoli h 393601 16 6297616 kgh metan

n 1H S2

G 34226 34 1163684 kgh H2S

n 1T 0 H S2

G G G 6297616 1163684 7461300 kgh gaz bogat

Debite şi concentraţii icircn fluxul de gaz sărac la ieşirea din coloană

0G 393601kmoli h 393601 16 6297616 kgh metan

1H S 0 12

G G Y 393601 000174 0685 kmolih H2S

1H S2

G 0685kmoli h 34 2329 kgh H2S neabsorbit

11 0 H S2

G G G 393601 0685 394286 kmolih gaz sărac

11 0 H S2

G G G 6297616 2329 6320906 kgh gaz sărac

1

0685y 000174

393601 0685

fracţii molare H2S

Debite şi concentraţii icircn absorbantul sărac la intrarea icircn coloană

0L 610153kmoli h 6108 3726815 kgh MEA

Cunoscacircnd concentraţia soluţiei de amină (15 masă) se poate calcula debitul de soluţie apoasă

de MEA

0s

100L 3726815 24845433

15 kgh soluţie MEA

8

Soluţia apoasă de MEA este alcătuită din

3726815 kg h MEA iş

24845433 3726815 21118618 kg h ap 1173257kmoli h apă ă

1H S 0 02

L L X 610153 005 30508 kmol h H2S

1H S2

L 30508 34 103727 kg h H2S

1 10 0 H SS 2

L L L 610153 30508 640661 kmolh

1 10 0 H SS S 2

L L L 24845433 103727 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

MEA

610153x 00494

610153 1173257

fracţii molare MEA

apa MEAx 1 x 1 00494 09506 fracţii molare apă

Debite şi concentraţii icircn absorbantul bogat la ieşirea din coloană

nH S 0 n2

L L X 610153 06 36609 kmolih H2S

nH S2

L 36609 34 1244706 kgh H2S

n n0 0 H SS 2

L L L 610153 36609 97624 kmoli h

n n0 0 H SS 2

L L L 24845433 1244706 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

n

36609x 0375

610153 36609

fracţii molare H2S

12 Bilanţ termic pe coloana de absorbţie

Din datele inițiale de proiectare se cunoaște temperatura de intrare a gazului impurificat

n 1T respectiv a absorbantului sărac oT

Icircn funcție de acestea se estimează temperatura la vacircrful coloanei 1T respectiv

temperatura la baza coloanei nT astfel

9

0

1 0T T 5 10 C (14)

0

n n 1T T 10 30 C (15)

Cu relațiile (14) și (15) se estimează temperatura T1 respectiv temperatura Tn

0

1T 30 6 36 C

0

nT 25 25 50 C

Icircn scopul verificării temperaturii Tn din baza coloanei de absorbtie se efectuează un

bilanț termic pe conturul I din figura 1 conform următoarei relații

TT T T T TTn 1 n 1 1 1 R0n 1 n 1 1 1 nn0 0 0 0G L G LS s0 0 0 0

G H G H L h G H G H G h L h (16)

unde

n 1 10 0G G reprezintă debitul de gaz purtător la intrarea ieşirea din coloană kgh

T Tn 1 1G G0 0

H H reprezintă entalpia icircn fază vapori a gazului purtător la temperatura Tn+1 respectiv T1

kJ kg

n 1 1G G reprezintă debitul de H2S la intrarea ieşirea din coloană kg h

T Tn 1 1H H reprezintă entalpia icircn fază vapori a H2S la temperatura Tn+1 respectiv T1 kJ kg

0SL reprezintă debitul soluţiei de absorbant sărac kg h

T T0 nL L0 0

h h reprezintă entalpia icircn faza lichid a absorbantului la temperatura T0 respectiv Tn

kJ kg

RG reprezintă debitul de H2S absorbit kg h

Tnh reprezintă entalpia icircn faza lichid a H2S absorbit la temperatura Tn kJ kg

Consideracircnd că atacirct gazul purtător cacirct şi soluţia de absorbant au aceeaşi compoziţie la

intrarea şi ieşirea din coloană bilanţul termic (16) se poate scrie

T T1 n 10 0 pGo 1 n 1G G0 0

G H H G c T T (17)

T T0 00 0 pGo n 0L LS S0 0

L h h L c T T (18)

10

unde

pG

0

c reprezintă căldura specifică medie izobară a etanului kJ kg0C care se calculează cu

relaţii din literatură

pL0

c reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant kJkg0C care se citeşte din

literatură

De asemenea ținacircnd seama de căldura de reacție ΔHR și de faptul că G1 este foarte mic

și se poate neglija relația (16) se reduce la forma

RR pGo 1 n 1 0 pLo n 0S

G H Gc T T L c T T (19)

RR 0 pLo 0 pGo 1 n 1S

n b

0 pGos

G H L c T Gc T TT T

L c

(110)

Temperatura Tn se verifică cu relația de bilanț termic (110) icircn care debitele fluxurilor

inplicate au fost calculate anterior și anume

0G 393601kmol h 393601 16 6297616 kg h

SoL 24845433 kg h soluţie MEA

RH S 0 n 1 12

G G Y Y 393601 00870 000174 33558 kmoli h H2S

RH S2

G 33558 34 1140972 kg h H2S reacţionat

Căldura specifică medie izobară a gazului purtător (metanul) pGoc se calculează la

temperatura medie aritmetică icircntre T1 şi Tn+1 cu relația

T 2 3

pc A B T C T D T

unde ABCD ndash constante specifice gazului purtător (metanul) care sunt tabelate icircn literatură

01 n 1T T 36 25T 305 C 273 305 3035

2 2

K

11

A= 120286 102

B= 325640

C= 07481610-3

D= - 707198 10-7

tan

305 2 3 2 7 3120286 10 325640 3035 074816 10 3035 ( 707198) 10 3035

22368 2237 0 6

epc

J kg K kJ kg K

Căldura specifică medie a soluţiei de absorbant pLoc se citeşte din grafice la temperatura

medie aritmetică icircntre T0 şi Tn

00 nT T 30 50T 40 C

2 2

Se obține

042 Cp

L0

c 4 kJ kg 0C

Căldura de reacție a H2S cu MEA se citește din tabele din literatură Se obține

ΔHR= 1910 kJ kg

Aplicacircnd relația (110) se obține

n b

1140972 1910 24845433 4 32 6297616 1775 36 25T T

24845433 4

0n bT T 5169 C

Valoarea temperaturii icircn baza coloanei de absorbţie obţinută prin calcul este icircn bună

concordanţă cu valoarea propusă Tn = 500C şi deci calculul temperaturii Tn se consideră icircncheiat

Se calculează temperatura medie pe coloană ca medie aritmetică icircntre T1 şi Tn

1 nm

T T 36 50T 43

2 2

0C

12

13 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de absorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată şi se parcurg

următoarele etape

- la temperatura medie pe coloană şi pentru valori de X cuprinse icircntre X0 şi Xn se citesc

din grafice din literatură valorile presiunii parţiale H2S

- din legea lui Dalton se calculează fracţiile molare ale H2S care apoi se transformă icircn

rapoarte molare Y

- curba de echilibru Y-X se reprezintă icircn grafic semilogaritmic

- se fixează coordonatele punctelor prin care trece dreapta de operare A(X0Y1) şi

B(YnYn+1)

Se alege Xn=06 kmoli H2S kmol MEA

X0= 005 kmol H2S kmol MEA

Yn+1= 00870 kmol H2S kmol metan

Y1= 000174 kmol H2S kmol metan

- pentru reprezentarea dreptei de operare icircn grafic semilogaritmic sunt necesare şi alte

puncte intermediare icircn afara punctelor extreme A şi B Icircn ecuaţia dreptei de operare

se dau valori lui Y icircntre X0 şi Xn şi se calculează valorile lui Y

- se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonatele Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi

curba de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B pacircnă la A

Numărul de orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă

13

Tabelul 11 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă P= 5 bar

X 2kmolH S

kmolMEA 2H Sp bar y= H S2

p P yY

1 y

kmolH2Skmol metan

005 16 10-4

32 10-5

32 10-5

01 59 10-4

118 10-4

118 10-4

02 39 10-3

78 10-4

78 10-4

03 115 10-3

23 10-3

23 10-3

04 45 10-2

9 10-3

908 10-3

05 69 10-2

14 10-2

142 10-2

06 98 10-2

19 10-2

19 10-2

Presupunem Xn = 06 kmol H2S kmol MEA

0L 610153 kmol h MEA

0G 393601 kmol h metan

Tabelul 12 Calculul curbei de operare pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă

X kmol H2S kmol MEA 0

n n 1

0

LY X X Y

G kmol H2S kmol metan

X0= 005 Y1 = 000174

01 000949

02 00250

03 00405

04 00560

05 00715

Xn=06 Yn+1 = 00870

Din graficul din Anexa 1 obţinem un număr de talere Ntt = 175

14

14 Dimensionarea coloanei de absorbţie

141 Diametrul coloanei de absorbţie

Coloana de absorbţie este echipată cu talere cu supape

Calculul diametrului se face conform metodologiei Glitsch

Debitele implicate icircn relaţii au fost calculate icircn subcapitolul11

TG = 7461300 kgh gaz bogat

n0s

L = 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

Masa molară medie a gazului bogat se calculează cu relația (111)

Mv= metan me tan H S H S2 2 M y M y (111)

Mv = 16 092 34 008 1744 kg kmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia (112)

3v

v

n 1

P M 5 17443526kg m

R T 0083 273 25

(112)

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

37461300V 0588m s

3526 3600

Densitatea soluţiei de MEA la ieşirea din coloană se citeşte din grafice din literatură la

temperatura din bază (se neglijează contribuţia H2S absorbit la densitatea soluţiei de absorbant)

ρl = 992 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relația (113)

05

vc

l v

V V

(113)

05

3c

3526V 0588 00351 m s

992 3526

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

26090139L 0438

992 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv= 2074 kgm3 şi s = 06 m şi se obţine

CAF = 042

15

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(114)

C

d

328VLC

30 v FI FS CAF

(115)

05

2

c

B B 314CD

1571

(116)

unde NP=1 FIcirc=07FS=07CAF=042 vd= 012

0438B 005575 0118

1 07 07 042

0438 328 00788C 1378

30 012 07 07 042

05

2

c

0118 0118 314 1378D 1617m

1571

142 Icircnălţimea coloanei de absorbţie

Icircnălţimea coloanei de absorbţie echipată cu talere cu supape se calculează cu relaţia

c TR V bI N 1 s I I (117)

NTR ndash numărul de talere reale din coloană se calculează după calculul eficacităţii medii globale

Icircn lipsa datelor generale de eficacitate Em sau a unor relaţii care să icircnglobeze efectul tuturor

factorilor care influenţează eficacitatea talerelor se recomandă ca Em să se estimeze icircn jur de

15

s ndash distanţa icircntre talere se alege 06 m

16

Icircv ndash icircnălţimea de la ultimul taler la vacircrful coloanei se alege 1 m

Icircb ndash icircnălţimea de la baza coloanei la primul taler din bază se alege 15 m

TTTR

m

N 175N 11667 12

E 015 talere reale

cI 12 1 06 1 15 91 m

15 Calculul pierderilor de absorbant

La vacircrful coloanei de absorbţie au loc pierderi de absorbant datorită antrenărilor cu gaz

inert Aceste pierderi se calculează cu relaţia

c

i ii 1

p 1 c

i ii 1

K xL G

1 K x

(118)

pL - reprezintă debitul molar de absorbant (apă şi amină) pierdut pe la vacircrful coloanei de

absorbţie

1G - debitul de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie kmolih

ix - fracţia molară a componentului i din amestecul absorbant

iK - constanta de echilibru a componentului i din amestecul absorbant la temperatura şi

presiunea de la vacircrful coloanei

Debitul molar de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie precum şi fracţiile

molare ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant sunt calculate anterior Constantele de echilibru

ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant la temperatura şi presiunea de la vacircrful coloanei sunt

2

apa

5

a min

K 1182 10

K 70605 10

5 5

p 5 5

1182 10 09506 70605 10 00494L 393601 4474

1 1182 10 09506 70605 10 00494

kmolih

17

Funcţiile molare icircn faza vapori se calculează cu relaţia

i i iY K x (119)

2

apay 1182 10 09506 00112 fracţii molare

5

aminay 70605 10 00494 000000349 fracţii molare

Pierderile din fiecare component al absorbantului sărac se calculează cu relaţiile

apap p 1 apaL L G y (120)

a min ap p 1 a minaL L G y (121)

yapă yamină ndash fracţiile molare icircn fază vapori

apapL 4474 393601 00112 4458 kmolih

apapL 80244kg h 1925856 kgzi

a min apL 4474 393601 000000349 0001385 kmolh

a min apL 00857kg h 20569 kgzi

Pentru completarea pierderilor de absorbant schema tehnologică a instalaţiei de

eliminare a H2S va fi prevăzută cu vas de completare cu absorbant

18

2 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE DESORBŢIE

Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din soluția de absorbant bogat ce

alimentează coloana de absorbție pentru un debit de abur de stripare dat un număr de talere sau

un strat de umplutură de o anumită icircnălțime Calculul acestora se face icircn funcție de numărul de

talere teoretice Pentru determinarea numărului de talere teoretice se aplică metoda grafică

simplificată iar datele de echilibru se obțin la temperaturi medii mari specifice operațiunii de

desorbție

Icircn practica industrială striparea gazelor acide (și icircn special a H2S) se face cu abur

indirect folosind un refierbător Aburul de stripare care părăsește coloana de vacircrf se condensează

și se reicircntoarce icircn coloană ca reflux

Fluxurile din coloana de stripare şi concentraţiile lor sunt cele simbolizate icircn figura 2

QC

QR

I

V yb

Lrsquox1

L x T0 0 B

TB

V y0 v vT

L x T0 n f

H S2

II

Figura 2 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de stripare

19

Icircn figura 2 semnificaţia simbolurilor este

Lo- reprezintatilde fluxul absorbant kmolih

LR ndash refluxul concentrate icircn apatildekmolih

Xn ndash concentraţia H2S icircn absorbantul bogat kmoli H2S kmol MEA

Xo ndash concentraţia H2S icircn absorbantul sărac kmoli H2S kmol MEA

YB- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din refierbatildetor kmol H2S kmol abur

Yv- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din coloanatilde kmol H2S kmol abur

Algoritmul de calcul al coloanei de desorbție are următoarele etape

1 se determină temperatura la vacircrful coloanei se efectuează bilanțul termic pe coloană

și se calculează debitul de vapori de stripare precum și consumul de abur la

refierbător

2 se calculează temperatura medie pe coloana de desorbție și la această temperatură se

obțin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant

3 se determină diametrul și icircnălțimea coloanei cu metodologia specifică tipului de

dispozitive de contactare (talere sau umplutură)

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vacircrful coloanei de desorbţie se pleacă de la faptul că icircn

condiţii de echilibru presiunea parţială a aburului (component majoritar la vacircrful coloanei) este egală cu

presiunea de vapori a apei Presiunea parţială a solutului ( H S2p ) este dată de legea lui Dalton

2

Tv

H S v abur apaP P y P (21)

unde PV reprezintă presiunea la vacircrful coloanei de desorbţie bar (din datele de proiectare)

20

TvapaP - presiunea de vapori a apei la temperatura de vacircrf

yabur - reprezintă fracţia molară de abur calculată cu relaţia (22)

Rabur R

R H S2

Ly

L G

(22)

LR ndash debitul de reflux calculat cu relaţia (23)

RR H S2

L R G (23)

R ndash raţia de reflux (din datele de proiectare)

RH S2

G - debitul de H2S absorbit kmoli

RL 3 33558 100674 kmolh 1812132kgh apă

abur

100674y 075

100674 33558

fracţii molare abur

TvH S apa2

p 12 075 09bar 750 675 mmHg P

Temperatura la vacircrf se calculează cu relaţia lui Antoine (24)

v

Tvapa

TC

BAlnP

(24)

unde

ABC reprezintă constantele lui Antoine pentru apă

ln v

v

381644675 183036 T 97 C

4613 T

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat icircn coloană este egală cu temperatura

de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie se alege

Tf =80ordmC

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 8: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

8

Soluţia apoasă de MEA este alcătuită din

3726815 kg h MEA iş

24845433 3726815 21118618 kg h ap 1173257kmoli h apă ă

1H S 0 02

L L X 610153 005 30508 kmol h H2S

1H S2

L 30508 34 103727 kg h H2S

1 10 0 H SS 2

L L L 610153 30508 640661 kmolh

1 10 0 H SS S 2

L L L 24845433 103727 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

MEA

610153x 00494

610153 1173257

fracţii molare MEA

apa MEAx 1 x 1 00494 09506 fracţii molare apă

Debite şi concentraţii icircn absorbantul bogat la ieşirea din coloană

nH S 0 n2

L L X 610153 06 36609 kmolih H2S

nH S2

L 36609 34 1244706 kgh H2S

n n0 0 H SS 2

L L L 610153 36609 97624 kmoli h

n n0 0 H SS 2

L L L 24845433 1244706 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

n

36609x 0375

610153 36609

fracţii molare H2S

12 Bilanţ termic pe coloana de absorbţie

Din datele inițiale de proiectare se cunoaște temperatura de intrare a gazului impurificat

n 1T respectiv a absorbantului sărac oT

Icircn funcție de acestea se estimează temperatura la vacircrful coloanei 1T respectiv

temperatura la baza coloanei nT astfel

9

0

1 0T T 5 10 C (14)

0

n n 1T T 10 30 C (15)

Cu relațiile (14) și (15) se estimează temperatura T1 respectiv temperatura Tn

0

1T 30 6 36 C

0

nT 25 25 50 C

Icircn scopul verificării temperaturii Tn din baza coloanei de absorbtie se efectuează un

bilanț termic pe conturul I din figura 1 conform următoarei relații

TT T T T TTn 1 n 1 1 1 R0n 1 n 1 1 1 nn0 0 0 0G L G LS s0 0 0 0

G H G H L h G H G H G h L h (16)

unde

n 1 10 0G G reprezintă debitul de gaz purtător la intrarea ieşirea din coloană kgh

T Tn 1 1G G0 0

H H reprezintă entalpia icircn fază vapori a gazului purtător la temperatura Tn+1 respectiv T1

kJ kg

n 1 1G G reprezintă debitul de H2S la intrarea ieşirea din coloană kg h

T Tn 1 1H H reprezintă entalpia icircn fază vapori a H2S la temperatura Tn+1 respectiv T1 kJ kg

0SL reprezintă debitul soluţiei de absorbant sărac kg h

T T0 nL L0 0

h h reprezintă entalpia icircn faza lichid a absorbantului la temperatura T0 respectiv Tn

kJ kg

RG reprezintă debitul de H2S absorbit kg h

Tnh reprezintă entalpia icircn faza lichid a H2S absorbit la temperatura Tn kJ kg

Consideracircnd că atacirct gazul purtător cacirct şi soluţia de absorbant au aceeaşi compoziţie la

intrarea şi ieşirea din coloană bilanţul termic (16) se poate scrie

T T1 n 10 0 pGo 1 n 1G G0 0

G H H G c T T (17)

T T0 00 0 pGo n 0L LS S0 0

L h h L c T T (18)

10

unde

pG

0

c reprezintă căldura specifică medie izobară a etanului kJ kg0C care se calculează cu

relaţii din literatură

pL0

c reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant kJkg0C care se citeşte din

literatură

De asemenea ținacircnd seama de căldura de reacție ΔHR și de faptul că G1 este foarte mic

și se poate neglija relația (16) se reduce la forma

RR pGo 1 n 1 0 pLo n 0S

G H Gc T T L c T T (19)

RR 0 pLo 0 pGo 1 n 1S

n b

0 pGos

G H L c T Gc T TT T

L c

(110)

Temperatura Tn se verifică cu relația de bilanț termic (110) icircn care debitele fluxurilor

inplicate au fost calculate anterior și anume

0G 393601kmol h 393601 16 6297616 kg h

SoL 24845433 kg h soluţie MEA

RH S 0 n 1 12

G G Y Y 393601 00870 000174 33558 kmoli h H2S

RH S2

G 33558 34 1140972 kg h H2S reacţionat

Căldura specifică medie izobară a gazului purtător (metanul) pGoc se calculează la

temperatura medie aritmetică icircntre T1 şi Tn+1 cu relația

T 2 3

pc A B T C T D T

unde ABCD ndash constante specifice gazului purtător (metanul) care sunt tabelate icircn literatură

01 n 1T T 36 25T 305 C 273 305 3035

2 2

K

11

A= 120286 102

B= 325640

C= 07481610-3

D= - 707198 10-7

tan

305 2 3 2 7 3120286 10 325640 3035 074816 10 3035 ( 707198) 10 3035

22368 2237 0 6

epc

J kg K kJ kg K

Căldura specifică medie a soluţiei de absorbant pLoc se citeşte din grafice la temperatura

medie aritmetică icircntre T0 şi Tn

00 nT T 30 50T 40 C

2 2

Se obține

042 Cp

L0

c 4 kJ kg 0C

Căldura de reacție a H2S cu MEA se citește din tabele din literatură Se obține

ΔHR= 1910 kJ kg

Aplicacircnd relația (110) se obține

n b

1140972 1910 24845433 4 32 6297616 1775 36 25T T

24845433 4

0n bT T 5169 C

Valoarea temperaturii icircn baza coloanei de absorbţie obţinută prin calcul este icircn bună

concordanţă cu valoarea propusă Tn = 500C şi deci calculul temperaturii Tn se consideră icircncheiat

Se calculează temperatura medie pe coloană ca medie aritmetică icircntre T1 şi Tn

1 nm

T T 36 50T 43

2 2

0C

12

13 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de absorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată şi se parcurg

următoarele etape

- la temperatura medie pe coloană şi pentru valori de X cuprinse icircntre X0 şi Xn se citesc

din grafice din literatură valorile presiunii parţiale H2S

- din legea lui Dalton se calculează fracţiile molare ale H2S care apoi se transformă icircn

rapoarte molare Y

- curba de echilibru Y-X se reprezintă icircn grafic semilogaritmic

- se fixează coordonatele punctelor prin care trece dreapta de operare A(X0Y1) şi

B(YnYn+1)

Se alege Xn=06 kmoli H2S kmol MEA

X0= 005 kmol H2S kmol MEA

Yn+1= 00870 kmol H2S kmol metan

Y1= 000174 kmol H2S kmol metan

- pentru reprezentarea dreptei de operare icircn grafic semilogaritmic sunt necesare şi alte

puncte intermediare icircn afara punctelor extreme A şi B Icircn ecuaţia dreptei de operare

se dau valori lui Y icircntre X0 şi Xn şi se calculează valorile lui Y

- se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonatele Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi

curba de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B pacircnă la A

Numărul de orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă

13

Tabelul 11 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă P= 5 bar

X 2kmolH S

kmolMEA 2H Sp bar y= H S2

p P yY

1 y

kmolH2Skmol metan

005 16 10-4

32 10-5

32 10-5

01 59 10-4

118 10-4

118 10-4

02 39 10-3

78 10-4

78 10-4

03 115 10-3

23 10-3

23 10-3

04 45 10-2

9 10-3

908 10-3

05 69 10-2

14 10-2

142 10-2

06 98 10-2

19 10-2

19 10-2

Presupunem Xn = 06 kmol H2S kmol MEA

0L 610153 kmol h MEA

0G 393601 kmol h metan

Tabelul 12 Calculul curbei de operare pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă

X kmol H2S kmol MEA 0

n n 1

0

LY X X Y

G kmol H2S kmol metan

X0= 005 Y1 = 000174

01 000949

02 00250

03 00405

04 00560

05 00715

Xn=06 Yn+1 = 00870

Din graficul din Anexa 1 obţinem un număr de talere Ntt = 175

14

14 Dimensionarea coloanei de absorbţie

141 Diametrul coloanei de absorbţie

Coloana de absorbţie este echipată cu talere cu supape

Calculul diametrului se face conform metodologiei Glitsch

Debitele implicate icircn relaţii au fost calculate icircn subcapitolul11

TG = 7461300 kgh gaz bogat

n0s

L = 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

Masa molară medie a gazului bogat se calculează cu relația (111)

Mv= metan me tan H S H S2 2 M y M y (111)

Mv = 16 092 34 008 1744 kg kmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia (112)

3v

v

n 1

P M 5 17443526kg m

R T 0083 273 25

(112)

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

37461300V 0588m s

3526 3600

Densitatea soluţiei de MEA la ieşirea din coloană se citeşte din grafice din literatură la

temperatura din bază (se neglijează contribuţia H2S absorbit la densitatea soluţiei de absorbant)

ρl = 992 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relația (113)

05

vc

l v

V V

(113)

05

3c

3526V 0588 00351 m s

992 3526

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

26090139L 0438

992 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv= 2074 kgm3 şi s = 06 m şi se obţine

CAF = 042

15

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(114)

C

d

328VLC

30 v FI FS CAF

(115)

05

2

c

B B 314CD

1571

(116)

unde NP=1 FIcirc=07FS=07CAF=042 vd= 012

0438B 005575 0118

1 07 07 042

0438 328 00788C 1378

30 012 07 07 042

05

2

c

0118 0118 314 1378D 1617m

1571

142 Icircnălţimea coloanei de absorbţie

Icircnălţimea coloanei de absorbţie echipată cu talere cu supape se calculează cu relaţia

c TR V bI N 1 s I I (117)

NTR ndash numărul de talere reale din coloană se calculează după calculul eficacităţii medii globale

Icircn lipsa datelor generale de eficacitate Em sau a unor relaţii care să icircnglobeze efectul tuturor

factorilor care influenţează eficacitatea talerelor se recomandă ca Em să se estimeze icircn jur de

15

s ndash distanţa icircntre talere se alege 06 m

16

Icircv ndash icircnălţimea de la ultimul taler la vacircrful coloanei se alege 1 m

Icircb ndash icircnălţimea de la baza coloanei la primul taler din bază se alege 15 m

TTTR

m

N 175N 11667 12

E 015 talere reale

cI 12 1 06 1 15 91 m

15 Calculul pierderilor de absorbant

La vacircrful coloanei de absorbţie au loc pierderi de absorbant datorită antrenărilor cu gaz

inert Aceste pierderi se calculează cu relaţia

c

i ii 1

p 1 c

i ii 1

K xL G

1 K x

(118)

pL - reprezintă debitul molar de absorbant (apă şi amină) pierdut pe la vacircrful coloanei de

absorbţie

1G - debitul de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie kmolih

ix - fracţia molară a componentului i din amestecul absorbant

iK - constanta de echilibru a componentului i din amestecul absorbant la temperatura şi

presiunea de la vacircrful coloanei

Debitul molar de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie precum şi fracţiile

molare ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant sunt calculate anterior Constantele de echilibru

ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant la temperatura şi presiunea de la vacircrful coloanei sunt

2

apa

5

a min

K 1182 10

K 70605 10

5 5

p 5 5

1182 10 09506 70605 10 00494L 393601 4474

1 1182 10 09506 70605 10 00494

kmolih

17

Funcţiile molare icircn faza vapori se calculează cu relaţia

i i iY K x (119)

2

apay 1182 10 09506 00112 fracţii molare

5

aminay 70605 10 00494 000000349 fracţii molare

Pierderile din fiecare component al absorbantului sărac se calculează cu relaţiile

apap p 1 apaL L G y (120)

a min ap p 1 a minaL L G y (121)

yapă yamină ndash fracţiile molare icircn fază vapori

apapL 4474 393601 00112 4458 kmolih

apapL 80244kg h 1925856 kgzi

a min apL 4474 393601 000000349 0001385 kmolh

a min apL 00857kg h 20569 kgzi

Pentru completarea pierderilor de absorbant schema tehnologică a instalaţiei de

eliminare a H2S va fi prevăzută cu vas de completare cu absorbant

18

2 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE DESORBŢIE

Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din soluția de absorbant bogat ce

alimentează coloana de absorbție pentru un debit de abur de stripare dat un număr de talere sau

un strat de umplutură de o anumită icircnălțime Calculul acestora se face icircn funcție de numărul de

talere teoretice Pentru determinarea numărului de talere teoretice se aplică metoda grafică

simplificată iar datele de echilibru se obțin la temperaturi medii mari specifice operațiunii de

desorbție

Icircn practica industrială striparea gazelor acide (și icircn special a H2S) se face cu abur

indirect folosind un refierbător Aburul de stripare care părăsește coloana de vacircrf se condensează

și se reicircntoarce icircn coloană ca reflux

Fluxurile din coloana de stripare şi concentraţiile lor sunt cele simbolizate icircn figura 2

QC

QR

I

V yb

Lrsquox1

L x T0 0 B

TB

V y0 v vT

L x T0 n f

H S2

II

Figura 2 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de stripare

19

Icircn figura 2 semnificaţia simbolurilor este

Lo- reprezintatilde fluxul absorbant kmolih

LR ndash refluxul concentrate icircn apatildekmolih

Xn ndash concentraţia H2S icircn absorbantul bogat kmoli H2S kmol MEA

Xo ndash concentraţia H2S icircn absorbantul sărac kmoli H2S kmol MEA

YB- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din refierbatildetor kmol H2S kmol abur

Yv- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din coloanatilde kmol H2S kmol abur

Algoritmul de calcul al coloanei de desorbție are următoarele etape

1 se determină temperatura la vacircrful coloanei se efectuează bilanțul termic pe coloană

și se calculează debitul de vapori de stripare precum și consumul de abur la

refierbător

2 se calculează temperatura medie pe coloana de desorbție și la această temperatură se

obțin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant

3 se determină diametrul și icircnălțimea coloanei cu metodologia specifică tipului de

dispozitive de contactare (talere sau umplutură)

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vacircrful coloanei de desorbţie se pleacă de la faptul că icircn

condiţii de echilibru presiunea parţială a aburului (component majoritar la vacircrful coloanei) este egală cu

presiunea de vapori a apei Presiunea parţială a solutului ( H S2p ) este dată de legea lui Dalton

2

Tv

H S v abur apaP P y P (21)

unde PV reprezintă presiunea la vacircrful coloanei de desorbţie bar (din datele de proiectare)

20

TvapaP - presiunea de vapori a apei la temperatura de vacircrf

yabur - reprezintă fracţia molară de abur calculată cu relaţia (22)

Rabur R

R H S2

Ly

L G

(22)

LR ndash debitul de reflux calculat cu relaţia (23)

RR H S2

L R G (23)

R ndash raţia de reflux (din datele de proiectare)

RH S2

G - debitul de H2S absorbit kmoli

RL 3 33558 100674 kmolh 1812132kgh apă

abur

100674y 075

100674 33558

fracţii molare abur

TvH S apa2

p 12 075 09bar 750 675 mmHg P

Temperatura la vacircrf se calculează cu relaţia lui Antoine (24)

v

Tvapa

TC

BAlnP

(24)

unde

ABC reprezintă constantele lui Antoine pentru apă

ln v

v

381644675 183036 T 97 C

4613 T

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat icircn coloană este egală cu temperatura

de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie se alege

Tf =80ordmC

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 9: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

9

0

1 0T T 5 10 C (14)

0

n n 1T T 10 30 C (15)

Cu relațiile (14) și (15) se estimează temperatura T1 respectiv temperatura Tn

0

1T 30 6 36 C

0

nT 25 25 50 C

Icircn scopul verificării temperaturii Tn din baza coloanei de absorbtie se efectuează un

bilanț termic pe conturul I din figura 1 conform următoarei relații

TT T T T TTn 1 n 1 1 1 R0n 1 n 1 1 1 nn0 0 0 0G L G LS s0 0 0 0

G H G H L h G H G H G h L h (16)

unde

n 1 10 0G G reprezintă debitul de gaz purtător la intrarea ieşirea din coloană kgh

T Tn 1 1G G0 0

H H reprezintă entalpia icircn fază vapori a gazului purtător la temperatura Tn+1 respectiv T1

kJ kg

n 1 1G G reprezintă debitul de H2S la intrarea ieşirea din coloană kg h

T Tn 1 1H H reprezintă entalpia icircn fază vapori a H2S la temperatura Tn+1 respectiv T1 kJ kg

0SL reprezintă debitul soluţiei de absorbant sărac kg h

T T0 nL L0 0

h h reprezintă entalpia icircn faza lichid a absorbantului la temperatura T0 respectiv Tn

kJ kg

RG reprezintă debitul de H2S absorbit kg h

Tnh reprezintă entalpia icircn faza lichid a H2S absorbit la temperatura Tn kJ kg

Consideracircnd că atacirct gazul purtător cacirct şi soluţia de absorbant au aceeaşi compoziţie la

intrarea şi ieşirea din coloană bilanţul termic (16) se poate scrie

T T1 n 10 0 pGo 1 n 1G G0 0

G H H G c T T (17)

T T0 00 0 pGo n 0L LS S0 0

L h h L c T T (18)

10

unde

pG

0

c reprezintă căldura specifică medie izobară a etanului kJ kg0C care se calculează cu

relaţii din literatură

pL0

c reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant kJkg0C care se citeşte din

literatură

De asemenea ținacircnd seama de căldura de reacție ΔHR și de faptul că G1 este foarte mic

și se poate neglija relația (16) se reduce la forma

RR pGo 1 n 1 0 pLo n 0S

G H Gc T T L c T T (19)

RR 0 pLo 0 pGo 1 n 1S

n b

0 pGos

G H L c T Gc T TT T

L c

(110)

Temperatura Tn se verifică cu relația de bilanț termic (110) icircn care debitele fluxurilor

inplicate au fost calculate anterior și anume

0G 393601kmol h 393601 16 6297616 kg h

SoL 24845433 kg h soluţie MEA

RH S 0 n 1 12

G G Y Y 393601 00870 000174 33558 kmoli h H2S

RH S2

G 33558 34 1140972 kg h H2S reacţionat

Căldura specifică medie izobară a gazului purtător (metanul) pGoc se calculează la

temperatura medie aritmetică icircntre T1 şi Tn+1 cu relația

T 2 3

pc A B T C T D T

unde ABCD ndash constante specifice gazului purtător (metanul) care sunt tabelate icircn literatură

01 n 1T T 36 25T 305 C 273 305 3035

2 2

K

11

A= 120286 102

B= 325640

C= 07481610-3

D= - 707198 10-7

tan

305 2 3 2 7 3120286 10 325640 3035 074816 10 3035 ( 707198) 10 3035

22368 2237 0 6

epc

J kg K kJ kg K

Căldura specifică medie a soluţiei de absorbant pLoc se citeşte din grafice la temperatura

medie aritmetică icircntre T0 şi Tn

00 nT T 30 50T 40 C

2 2

Se obține

042 Cp

L0

c 4 kJ kg 0C

Căldura de reacție a H2S cu MEA se citește din tabele din literatură Se obține

ΔHR= 1910 kJ kg

Aplicacircnd relația (110) se obține

n b

1140972 1910 24845433 4 32 6297616 1775 36 25T T

24845433 4

0n bT T 5169 C

Valoarea temperaturii icircn baza coloanei de absorbţie obţinută prin calcul este icircn bună

concordanţă cu valoarea propusă Tn = 500C şi deci calculul temperaturii Tn se consideră icircncheiat

Se calculează temperatura medie pe coloană ca medie aritmetică icircntre T1 şi Tn

1 nm

T T 36 50T 43

2 2

0C

12

13 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de absorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată şi se parcurg

următoarele etape

- la temperatura medie pe coloană şi pentru valori de X cuprinse icircntre X0 şi Xn se citesc

din grafice din literatură valorile presiunii parţiale H2S

- din legea lui Dalton se calculează fracţiile molare ale H2S care apoi se transformă icircn

rapoarte molare Y

- curba de echilibru Y-X se reprezintă icircn grafic semilogaritmic

- se fixează coordonatele punctelor prin care trece dreapta de operare A(X0Y1) şi

B(YnYn+1)

Se alege Xn=06 kmoli H2S kmol MEA

X0= 005 kmol H2S kmol MEA

Yn+1= 00870 kmol H2S kmol metan

Y1= 000174 kmol H2S kmol metan

- pentru reprezentarea dreptei de operare icircn grafic semilogaritmic sunt necesare şi alte

puncte intermediare icircn afara punctelor extreme A şi B Icircn ecuaţia dreptei de operare

se dau valori lui Y icircntre X0 şi Xn şi se calculează valorile lui Y

- se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonatele Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi

curba de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B pacircnă la A

Numărul de orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă

13

Tabelul 11 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă P= 5 bar

X 2kmolH S

kmolMEA 2H Sp bar y= H S2

p P yY

1 y

kmolH2Skmol metan

005 16 10-4

32 10-5

32 10-5

01 59 10-4

118 10-4

118 10-4

02 39 10-3

78 10-4

78 10-4

03 115 10-3

23 10-3

23 10-3

04 45 10-2

9 10-3

908 10-3

05 69 10-2

14 10-2

142 10-2

06 98 10-2

19 10-2

19 10-2

Presupunem Xn = 06 kmol H2S kmol MEA

0L 610153 kmol h MEA

0G 393601 kmol h metan

Tabelul 12 Calculul curbei de operare pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă

X kmol H2S kmol MEA 0

n n 1

0

LY X X Y

G kmol H2S kmol metan

X0= 005 Y1 = 000174

01 000949

02 00250

03 00405

04 00560

05 00715

Xn=06 Yn+1 = 00870

Din graficul din Anexa 1 obţinem un număr de talere Ntt = 175

14

14 Dimensionarea coloanei de absorbţie

141 Diametrul coloanei de absorbţie

Coloana de absorbţie este echipată cu talere cu supape

Calculul diametrului se face conform metodologiei Glitsch

Debitele implicate icircn relaţii au fost calculate icircn subcapitolul11

TG = 7461300 kgh gaz bogat

n0s

L = 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

Masa molară medie a gazului bogat se calculează cu relația (111)

Mv= metan me tan H S H S2 2 M y M y (111)

Mv = 16 092 34 008 1744 kg kmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia (112)

3v

v

n 1

P M 5 17443526kg m

R T 0083 273 25

(112)

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

37461300V 0588m s

3526 3600

Densitatea soluţiei de MEA la ieşirea din coloană se citeşte din grafice din literatură la

temperatura din bază (se neglijează contribuţia H2S absorbit la densitatea soluţiei de absorbant)

ρl = 992 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relația (113)

05

vc

l v

V V

(113)

05

3c

3526V 0588 00351 m s

992 3526

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

26090139L 0438

992 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv= 2074 kgm3 şi s = 06 m şi se obţine

CAF = 042

15

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(114)

C

d

328VLC

30 v FI FS CAF

(115)

05

2

c

B B 314CD

1571

(116)

unde NP=1 FIcirc=07FS=07CAF=042 vd= 012

0438B 005575 0118

1 07 07 042

0438 328 00788C 1378

30 012 07 07 042

05

2

c

0118 0118 314 1378D 1617m

1571

142 Icircnălţimea coloanei de absorbţie

Icircnălţimea coloanei de absorbţie echipată cu talere cu supape se calculează cu relaţia

c TR V bI N 1 s I I (117)

NTR ndash numărul de talere reale din coloană se calculează după calculul eficacităţii medii globale

Icircn lipsa datelor generale de eficacitate Em sau a unor relaţii care să icircnglobeze efectul tuturor

factorilor care influenţează eficacitatea talerelor se recomandă ca Em să se estimeze icircn jur de

15

s ndash distanţa icircntre talere se alege 06 m

16

Icircv ndash icircnălţimea de la ultimul taler la vacircrful coloanei se alege 1 m

Icircb ndash icircnălţimea de la baza coloanei la primul taler din bază se alege 15 m

TTTR

m

N 175N 11667 12

E 015 talere reale

cI 12 1 06 1 15 91 m

15 Calculul pierderilor de absorbant

La vacircrful coloanei de absorbţie au loc pierderi de absorbant datorită antrenărilor cu gaz

inert Aceste pierderi se calculează cu relaţia

c

i ii 1

p 1 c

i ii 1

K xL G

1 K x

(118)

pL - reprezintă debitul molar de absorbant (apă şi amină) pierdut pe la vacircrful coloanei de

absorbţie

1G - debitul de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie kmolih

ix - fracţia molară a componentului i din amestecul absorbant

iK - constanta de echilibru a componentului i din amestecul absorbant la temperatura şi

presiunea de la vacircrful coloanei

Debitul molar de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie precum şi fracţiile

molare ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant sunt calculate anterior Constantele de echilibru

ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant la temperatura şi presiunea de la vacircrful coloanei sunt

2

apa

5

a min

K 1182 10

K 70605 10

5 5

p 5 5

1182 10 09506 70605 10 00494L 393601 4474

1 1182 10 09506 70605 10 00494

kmolih

17

Funcţiile molare icircn faza vapori se calculează cu relaţia

i i iY K x (119)

2

apay 1182 10 09506 00112 fracţii molare

5

aminay 70605 10 00494 000000349 fracţii molare

Pierderile din fiecare component al absorbantului sărac se calculează cu relaţiile

apap p 1 apaL L G y (120)

a min ap p 1 a minaL L G y (121)

yapă yamină ndash fracţiile molare icircn fază vapori

apapL 4474 393601 00112 4458 kmolih

apapL 80244kg h 1925856 kgzi

a min apL 4474 393601 000000349 0001385 kmolh

a min apL 00857kg h 20569 kgzi

Pentru completarea pierderilor de absorbant schema tehnologică a instalaţiei de

eliminare a H2S va fi prevăzută cu vas de completare cu absorbant

18

2 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE DESORBŢIE

Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din soluția de absorbant bogat ce

alimentează coloana de absorbție pentru un debit de abur de stripare dat un număr de talere sau

un strat de umplutură de o anumită icircnălțime Calculul acestora se face icircn funcție de numărul de

talere teoretice Pentru determinarea numărului de talere teoretice se aplică metoda grafică

simplificată iar datele de echilibru se obțin la temperaturi medii mari specifice operațiunii de

desorbție

Icircn practica industrială striparea gazelor acide (și icircn special a H2S) se face cu abur

indirect folosind un refierbător Aburul de stripare care părăsește coloana de vacircrf se condensează

și se reicircntoarce icircn coloană ca reflux

Fluxurile din coloana de stripare şi concentraţiile lor sunt cele simbolizate icircn figura 2

QC

QR

I

V yb

Lrsquox1

L x T0 0 B

TB

V y0 v vT

L x T0 n f

H S2

II

Figura 2 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de stripare

19

Icircn figura 2 semnificaţia simbolurilor este

Lo- reprezintatilde fluxul absorbant kmolih

LR ndash refluxul concentrate icircn apatildekmolih

Xn ndash concentraţia H2S icircn absorbantul bogat kmoli H2S kmol MEA

Xo ndash concentraţia H2S icircn absorbantul sărac kmoli H2S kmol MEA

YB- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din refierbatildetor kmol H2S kmol abur

Yv- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din coloanatilde kmol H2S kmol abur

Algoritmul de calcul al coloanei de desorbție are următoarele etape

1 se determină temperatura la vacircrful coloanei se efectuează bilanțul termic pe coloană

și se calculează debitul de vapori de stripare precum și consumul de abur la

refierbător

2 se calculează temperatura medie pe coloana de desorbție și la această temperatură se

obțin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant

3 se determină diametrul și icircnălțimea coloanei cu metodologia specifică tipului de

dispozitive de contactare (talere sau umplutură)

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vacircrful coloanei de desorbţie se pleacă de la faptul că icircn

condiţii de echilibru presiunea parţială a aburului (component majoritar la vacircrful coloanei) este egală cu

presiunea de vapori a apei Presiunea parţială a solutului ( H S2p ) este dată de legea lui Dalton

2

Tv

H S v abur apaP P y P (21)

unde PV reprezintă presiunea la vacircrful coloanei de desorbţie bar (din datele de proiectare)

20

TvapaP - presiunea de vapori a apei la temperatura de vacircrf

yabur - reprezintă fracţia molară de abur calculată cu relaţia (22)

Rabur R

R H S2

Ly

L G

(22)

LR ndash debitul de reflux calculat cu relaţia (23)

RR H S2

L R G (23)

R ndash raţia de reflux (din datele de proiectare)

RH S2

G - debitul de H2S absorbit kmoli

RL 3 33558 100674 kmolh 1812132kgh apă

abur

100674y 075

100674 33558

fracţii molare abur

TvH S apa2

p 12 075 09bar 750 675 mmHg P

Temperatura la vacircrf se calculează cu relaţia lui Antoine (24)

v

Tvapa

TC

BAlnP

(24)

unde

ABC reprezintă constantele lui Antoine pentru apă

ln v

v

381644675 183036 T 97 C

4613 T

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat icircn coloană este egală cu temperatura

de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie se alege

Tf =80ordmC

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 10: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

10

unde

pG

0

c reprezintă căldura specifică medie izobară a etanului kJ kg0C care se calculează cu

relaţii din literatură

pL0

c reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant kJkg0C care se citeşte din

literatură

De asemenea ținacircnd seama de căldura de reacție ΔHR și de faptul că G1 este foarte mic

și se poate neglija relația (16) se reduce la forma

RR pGo 1 n 1 0 pLo n 0S

G H Gc T T L c T T (19)

RR 0 pLo 0 pGo 1 n 1S

n b

0 pGos

G H L c T Gc T TT T

L c

(110)

Temperatura Tn se verifică cu relația de bilanț termic (110) icircn care debitele fluxurilor

inplicate au fost calculate anterior și anume

0G 393601kmol h 393601 16 6297616 kg h

SoL 24845433 kg h soluţie MEA

RH S 0 n 1 12

G G Y Y 393601 00870 000174 33558 kmoli h H2S

RH S2

G 33558 34 1140972 kg h H2S reacţionat

Căldura specifică medie izobară a gazului purtător (metanul) pGoc se calculează la

temperatura medie aritmetică icircntre T1 şi Tn+1 cu relația

T 2 3

pc A B T C T D T

unde ABCD ndash constante specifice gazului purtător (metanul) care sunt tabelate icircn literatură

01 n 1T T 36 25T 305 C 273 305 3035

2 2

K

11

A= 120286 102

B= 325640

C= 07481610-3

D= - 707198 10-7

tan

305 2 3 2 7 3120286 10 325640 3035 074816 10 3035 ( 707198) 10 3035

22368 2237 0 6

epc

J kg K kJ kg K

Căldura specifică medie a soluţiei de absorbant pLoc se citeşte din grafice la temperatura

medie aritmetică icircntre T0 şi Tn

00 nT T 30 50T 40 C

2 2

Se obține

042 Cp

L0

c 4 kJ kg 0C

Căldura de reacție a H2S cu MEA se citește din tabele din literatură Se obține

ΔHR= 1910 kJ kg

Aplicacircnd relația (110) se obține

n b

1140972 1910 24845433 4 32 6297616 1775 36 25T T

24845433 4

0n bT T 5169 C

Valoarea temperaturii icircn baza coloanei de absorbţie obţinută prin calcul este icircn bună

concordanţă cu valoarea propusă Tn = 500C şi deci calculul temperaturii Tn se consideră icircncheiat

Se calculează temperatura medie pe coloană ca medie aritmetică icircntre T1 şi Tn

1 nm

T T 36 50T 43

2 2

0C

12

13 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de absorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată şi se parcurg

următoarele etape

- la temperatura medie pe coloană şi pentru valori de X cuprinse icircntre X0 şi Xn se citesc

din grafice din literatură valorile presiunii parţiale H2S

- din legea lui Dalton se calculează fracţiile molare ale H2S care apoi se transformă icircn

rapoarte molare Y

- curba de echilibru Y-X se reprezintă icircn grafic semilogaritmic

- se fixează coordonatele punctelor prin care trece dreapta de operare A(X0Y1) şi

B(YnYn+1)

Se alege Xn=06 kmoli H2S kmol MEA

X0= 005 kmol H2S kmol MEA

Yn+1= 00870 kmol H2S kmol metan

Y1= 000174 kmol H2S kmol metan

- pentru reprezentarea dreptei de operare icircn grafic semilogaritmic sunt necesare şi alte

puncte intermediare icircn afara punctelor extreme A şi B Icircn ecuaţia dreptei de operare

se dau valori lui Y icircntre X0 şi Xn şi se calculează valorile lui Y

- se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonatele Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi

curba de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B pacircnă la A

Numărul de orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă

13

Tabelul 11 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă P= 5 bar

X 2kmolH S

kmolMEA 2H Sp bar y= H S2

p P yY

1 y

kmolH2Skmol metan

005 16 10-4

32 10-5

32 10-5

01 59 10-4

118 10-4

118 10-4

02 39 10-3

78 10-4

78 10-4

03 115 10-3

23 10-3

23 10-3

04 45 10-2

9 10-3

908 10-3

05 69 10-2

14 10-2

142 10-2

06 98 10-2

19 10-2

19 10-2

Presupunem Xn = 06 kmol H2S kmol MEA

0L 610153 kmol h MEA

0G 393601 kmol h metan

Tabelul 12 Calculul curbei de operare pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă

X kmol H2S kmol MEA 0

n n 1

0

LY X X Y

G kmol H2S kmol metan

X0= 005 Y1 = 000174

01 000949

02 00250

03 00405

04 00560

05 00715

Xn=06 Yn+1 = 00870

Din graficul din Anexa 1 obţinem un număr de talere Ntt = 175

14

14 Dimensionarea coloanei de absorbţie

141 Diametrul coloanei de absorbţie

Coloana de absorbţie este echipată cu talere cu supape

Calculul diametrului se face conform metodologiei Glitsch

Debitele implicate icircn relaţii au fost calculate icircn subcapitolul11

TG = 7461300 kgh gaz bogat

n0s

L = 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

Masa molară medie a gazului bogat se calculează cu relația (111)

Mv= metan me tan H S H S2 2 M y M y (111)

Mv = 16 092 34 008 1744 kg kmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia (112)

3v

v

n 1

P M 5 17443526kg m

R T 0083 273 25

(112)

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

37461300V 0588m s

3526 3600

Densitatea soluţiei de MEA la ieşirea din coloană se citeşte din grafice din literatură la

temperatura din bază (se neglijează contribuţia H2S absorbit la densitatea soluţiei de absorbant)

ρl = 992 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relația (113)

05

vc

l v

V V

(113)

05

3c

3526V 0588 00351 m s

992 3526

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

26090139L 0438

992 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv= 2074 kgm3 şi s = 06 m şi se obţine

CAF = 042

15

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(114)

C

d

328VLC

30 v FI FS CAF

(115)

05

2

c

B B 314CD

1571

(116)

unde NP=1 FIcirc=07FS=07CAF=042 vd= 012

0438B 005575 0118

1 07 07 042

0438 328 00788C 1378

30 012 07 07 042

05

2

c

0118 0118 314 1378D 1617m

1571

142 Icircnălţimea coloanei de absorbţie

Icircnălţimea coloanei de absorbţie echipată cu talere cu supape se calculează cu relaţia

c TR V bI N 1 s I I (117)

NTR ndash numărul de talere reale din coloană se calculează după calculul eficacităţii medii globale

Icircn lipsa datelor generale de eficacitate Em sau a unor relaţii care să icircnglobeze efectul tuturor

factorilor care influenţează eficacitatea talerelor se recomandă ca Em să se estimeze icircn jur de

15

s ndash distanţa icircntre talere se alege 06 m

16

Icircv ndash icircnălţimea de la ultimul taler la vacircrful coloanei se alege 1 m

Icircb ndash icircnălţimea de la baza coloanei la primul taler din bază se alege 15 m

TTTR

m

N 175N 11667 12

E 015 talere reale

cI 12 1 06 1 15 91 m

15 Calculul pierderilor de absorbant

La vacircrful coloanei de absorbţie au loc pierderi de absorbant datorită antrenărilor cu gaz

inert Aceste pierderi se calculează cu relaţia

c

i ii 1

p 1 c

i ii 1

K xL G

1 K x

(118)

pL - reprezintă debitul molar de absorbant (apă şi amină) pierdut pe la vacircrful coloanei de

absorbţie

1G - debitul de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie kmolih

ix - fracţia molară a componentului i din amestecul absorbant

iK - constanta de echilibru a componentului i din amestecul absorbant la temperatura şi

presiunea de la vacircrful coloanei

Debitul molar de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie precum şi fracţiile

molare ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant sunt calculate anterior Constantele de echilibru

ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant la temperatura şi presiunea de la vacircrful coloanei sunt

2

apa

5

a min

K 1182 10

K 70605 10

5 5

p 5 5

1182 10 09506 70605 10 00494L 393601 4474

1 1182 10 09506 70605 10 00494

kmolih

17

Funcţiile molare icircn faza vapori se calculează cu relaţia

i i iY K x (119)

2

apay 1182 10 09506 00112 fracţii molare

5

aminay 70605 10 00494 000000349 fracţii molare

Pierderile din fiecare component al absorbantului sărac se calculează cu relaţiile

apap p 1 apaL L G y (120)

a min ap p 1 a minaL L G y (121)

yapă yamină ndash fracţiile molare icircn fază vapori

apapL 4474 393601 00112 4458 kmolih

apapL 80244kg h 1925856 kgzi

a min apL 4474 393601 000000349 0001385 kmolh

a min apL 00857kg h 20569 kgzi

Pentru completarea pierderilor de absorbant schema tehnologică a instalaţiei de

eliminare a H2S va fi prevăzută cu vas de completare cu absorbant

18

2 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE DESORBŢIE

Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din soluția de absorbant bogat ce

alimentează coloana de absorbție pentru un debit de abur de stripare dat un număr de talere sau

un strat de umplutură de o anumită icircnălțime Calculul acestora se face icircn funcție de numărul de

talere teoretice Pentru determinarea numărului de talere teoretice se aplică metoda grafică

simplificată iar datele de echilibru se obțin la temperaturi medii mari specifice operațiunii de

desorbție

Icircn practica industrială striparea gazelor acide (și icircn special a H2S) se face cu abur

indirect folosind un refierbător Aburul de stripare care părăsește coloana de vacircrf se condensează

și se reicircntoarce icircn coloană ca reflux

Fluxurile din coloana de stripare şi concentraţiile lor sunt cele simbolizate icircn figura 2

QC

QR

I

V yb

Lrsquox1

L x T0 0 B

TB

V y0 v vT

L x T0 n f

H S2

II

Figura 2 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de stripare

19

Icircn figura 2 semnificaţia simbolurilor este

Lo- reprezintatilde fluxul absorbant kmolih

LR ndash refluxul concentrate icircn apatildekmolih

Xn ndash concentraţia H2S icircn absorbantul bogat kmoli H2S kmol MEA

Xo ndash concentraţia H2S icircn absorbantul sărac kmoli H2S kmol MEA

YB- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din refierbatildetor kmol H2S kmol abur

Yv- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din coloanatilde kmol H2S kmol abur

Algoritmul de calcul al coloanei de desorbție are următoarele etape

1 se determină temperatura la vacircrful coloanei se efectuează bilanțul termic pe coloană

și se calculează debitul de vapori de stripare precum și consumul de abur la

refierbător

2 se calculează temperatura medie pe coloana de desorbție și la această temperatură se

obțin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant

3 se determină diametrul și icircnălțimea coloanei cu metodologia specifică tipului de

dispozitive de contactare (talere sau umplutură)

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vacircrful coloanei de desorbţie se pleacă de la faptul că icircn

condiţii de echilibru presiunea parţială a aburului (component majoritar la vacircrful coloanei) este egală cu

presiunea de vapori a apei Presiunea parţială a solutului ( H S2p ) este dată de legea lui Dalton

2

Tv

H S v abur apaP P y P (21)

unde PV reprezintă presiunea la vacircrful coloanei de desorbţie bar (din datele de proiectare)

20

TvapaP - presiunea de vapori a apei la temperatura de vacircrf

yabur - reprezintă fracţia molară de abur calculată cu relaţia (22)

Rabur R

R H S2

Ly

L G

(22)

LR ndash debitul de reflux calculat cu relaţia (23)

RR H S2

L R G (23)

R ndash raţia de reflux (din datele de proiectare)

RH S2

G - debitul de H2S absorbit kmoli

RL 3 33558 100674 kmolh 1812132kgh apă

abur

100674y 075

100674 33558

fracţii molare abur

TvH S apa2

p 12 075 09bar 750 675 mmHg P

Temperatura la vacircrf se calculează cu relaţia lui Antoine (24)

v

Tvapa

TC

BAlnP

(24)

unde

ABC reprezintă constantele lui Antoine pentru apă

ln v

v

381644675 183036 T 97 C

4613 T

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat icircn coloană este egală cu temperatura

de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie se alege

Tf =80ordmC

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 11: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

11

A= 120286 102

B= 325640

C= 07481610-3

D= - 707198 10-7

tan

305 2 3 2 7 3120286 10 325640 3035 074816 10 3035 ( 707198) 10 3035

22368 2237 0 6

epc

J kg K kJ kg K

Căldura specifică medie a soluţiei de absorbant pLoc se citeşte din grafice la temperatura

medie aritmetică icircntre T0 şi Tn

00 nT T 30 50T 40 C

2 2

Se obține

042 Cp

L0

c 4 kJ kg 0C

Căldura de reacție a H2S cu MEA se citește din tabele din literatură Se obține

ΔHR= 1910 kJ kg

Aplicacircnd relația (110) se obține

n b

1140972 1910 24845433 4 32 6297616 1775 36 25T T

24845433 4

0n bT T 5169 C

Valoarea temperaturii icircn baza coloanei de absorbţie obţinută prin calcul este icircn bună

concordanţă cu valoarea propusă Tn = 500C şi deci calculul temperaturii Tn se consideră icircncheiat

Se calculează temperatura medie pe coloană ca medie aritmetică icircntre T1 şi Tn

1 nm

T T 36 50T 43

2 2

0C

12

13 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de absorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată şi se parcurg

următoarele etape

- la temperatura medie pe coloană şi pentru valori de X cuprinse icircntre X0 şi Xn se citesc

din grafice din literatură valorile presiunii parţiale H2S

- din legea lui Dalton se calculează fracţiile molare ale H2S care apoi se transformă icircn

rapoarte molare Y

- curba de echilibru Y-X se reprezintă icircn grafic semilogaritmic

- se fixează coordonatele punctelor prin care trece dreapta de operare A(X0Y1) şi

B(YnYn+1)

Se alege Xn=06 kmoli H2S kmol MEA

X0= 005 kmol H2S kmol MEA

Yn+1= 00870 kmol H2S kmol metan

Y1= 000174 kmol H2S kmol metan

- pentru reprezentarea dreptei de operare icircn grafic semilogaritmic sunt necesare şi alte

puncte intermediare icircn afara punctelor extreme A şi B Icircn ecuaţia dreptei de operare

se dau valori lui Y icircntre X0 şi Xn şi se calculează valorile lui Y

- se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonatele Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi

curba de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B pacircnă la A

Numărul de orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă

13

Tabelul 11 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă P= 5 bar

X 2kmolH S

kmolMEA 2H Sp bar y= H S2

p P yY

1 y

kmolH2Skmol metan

005 16 10-4

32 10-5

32 10-5

01 59 10-4

118 10-4

118 10-4

02 39 10-3

78 10-4

78 10-4

03 115 10-3

23 10-3

23 10-3

04 45 10-2

9 10-3

908 10-3

05 69 10-2

14 10-2

142 10-2

06 98 10-2

19 10-2

19 10-2

Presupunem Xn = 06 kmol H2S kmol MEA

0L 610153 kmol h MEA

0G 393601 kmol h metan

Tabelul 12 Calculul curbei de operare pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă

X kmol H2S kmol MEA 0

n n 1

0

LY X X Y

G kmol H2S kmol metan

X0= 005 Y1 = 000174

01 000949

02 00250

03 00405

04 00560

05 00715

Xn=06 Yn+1 = 00870

Din graficul din Anexa 1 obţinem un număr de talere Ntt = 175

14

14 Dimensionarea coloanei de absorbţie

141 Diametrul coloanei de absorbţie

Coloana de absorbţie este echipată cu talere cu supape

Calculul diametrului se face conform metodologiei Glitsch

Debitele implicate icircn relaţii au fost calculate icircn subcapitolul11

TG = 7461300 kgh gaz bogat

n0s

L = 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

Masa molară medie a gazului bogat se calculează cu relația (111)

Mv= metan me tan H S H S2 2 M y M y (111)

Mv = 16 092 34 008 1744 kg kmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia (112)

3v

v

n 1

P M 5 17443526kg m

R T 0083 273 25

(112)

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

37461300V 0588m s

3526 3600

Densitatea soluţiei de MEA la ieşirea din coloană se citeşte din grafice din literatură la

temperatura din bază (se neglijează contribuţia H2S absorbit la densitatea soluţiei de absorbant)

ρl = 992 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relația (113)

05

vc

l v

V V

(113)

05

3c

3526V 0588 00351 m s

992 3526

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

26090139L 0438

992 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv= 2074 kgm3 şi s = 06 m şi se obţine

CAF = 042

15

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(114)

C

d

328VLC

30 v FI FS CAF

(115)

05

2

c

B B 314CD

1571

(116)

unde NP=1 FIcirc=07FS=07CAF=042 vd= 012

0438B 005575 0118

1 07 07 042

0438 328 00788C 1378

30 012 07 07 042

05

2

c

0118 0118 314 1378D 1617m

1571

142 Icircnălţimea coloanei de absorbţie

Icircnălţimea coloanei de absorbţie echipată cu talere cu supape se calculează cu relaţia

c TR V bI N 1 s I I (117)

NTR ndash numărul de talere reale din coloană se calculează după calculul eficacităţii medii globale

Icircn lipsa datelor generale de eficacitate Em sau a unor relaţii care să icircnglobeze efectul tuturor

factorilor care influenţează eficacitatea talerelor se recomandă ca Em să se estimeze icircn jur de

15

s ndash distanţa icircntre talere se alege 06 m

16

Icircv ndash icircnălţimea de la ultimul taler la vacircrful coloanei se alege 1 m

Icircb ndash icircnălţimea de la baza coloanei la primul taler din bază se alege 15 m

TTTR

m

N 175N 11667 12

E 015 talere reale

cI 12 1 06 1 15 91 m

15 Calculul pierderilor de absorbant

La vacircrful coloanei de absorbţie au loc pierderi de absorbant datorită antrenărilor cu gaz

inert Aceste pierderi se calculează cu relaţia

c

i ii 1

p 1 c

i ii 1

K xL G

1 K x

(118)

pL - reprezintă debitul molar de absorbant (apă şi amină) pierdut pe la vacircrful coloanei de

absorbţie

1G - debitul de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie kmolih

ix - fracţia molară a componentului i din amestecul absorbant

iK - constanta de echilibru a componentului i din amestecul absorbant la temperatura şi

presiunea de la vacircrful coloanei

Debitul molar de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie precum şi fracţiile

molare ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant sunt calculate anterior Constantele de echilibru

ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant la temperatura şi presiunea de la vacircrful coloanei sunt

2

apa

5

a min

K 1182 10

K 70605 10

5 5

p 5 5

1182 10 09506 70605 10 00494L 393601 4474

1 1182 10 09506 70605 10 00494

kmolih

17

Funcţiile molare icircn faza vapori se calculează cu relaţia

i i iY K x (119)

2

apay 1182 10 09506 00112 fracţii molare

5

aminay 70605 10 00494 000000349 fracţii molare

Pierderile din fiecare component al absorbantului sărac se calculează cu relaţiile

apap p 1 apaL L G y (120)

a min ap p 1 a minaL L G y (121)

yapă yamină ndash fracţiile molare icircn fază vapori

apapL 4474 393601 00112 4458 kmolih

apapL 80244kg h 1925856 kgzi

a min apL 4474 393601 000000349 0001385 kmolh

a min apL 00857kg h 20569 kgzi

Pentru completarea pierderilor de absorbant schema tehnologică a instalaţiei de

eliminare a H2S va fi prevăzută cu vas de completare cu absorbant

18

2 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE DESORBŢIE

Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din soluția de absorbant bogat ce

alimentează coloana de absorbție pentru un debit de abur de stripare dat un număr de talere sau

un strat de umplutură de o anumită icircnălțime Calculul acestora se face icircn funcție de numărul de

talere teoretice Pentru determinarea numărului de talere teoretice se aplică metoda grafică

simplificată iar datele de echilibru se obțin la temperaturi medii mari specifice operațiunii de

desorbție

Icircn practica industrială striparea gazelor acide (și icircn special a H2S) se face cu abur

indirect folosind un refierbător Aburul de stripare care părăsește coloana de vacircrf se condensează

și se reicircntoarce icircn coloană ca reflux

Fluxurile din coloana de stripare şi concentraţiile lor sunt cele simbolizate icircn figura 2

QC

QR

I

V yb

Lrsquox1

L x T0 0 B

TB

V y0 v vT

L x T0 n f

H S2

II

Figura 2 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de stripare

19

Icircn figura 2 semnificaţia simbolurilor este

Lo- reprezintatilde fluxul absorbant kmolih

LR ndash refluxul concentrate icircn apatildekmolih

Xn ndash concentraţia H2S icircn absorbantul bogat kmoli H2S kmol MEA

Xo ndash concentraţia H2S icircn absorbantul sărac kmoli H2S kmol MEA

YB- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din refierbatildetor kmol H2S kmol abur

Yv- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din coloanatilde kmol H2S kmol abur

Algoritmul de calcul al coloanei de desorbție are următoarele etape

1 se determină temperatura la vacircrful coloanei se efectuează bilanțul termic pe coloană

și se calculează debitul de vapori de stripare precum și consumul de abur la

refierbător

2 se calculează temperatura medie pe coloana de desorbție și la această temperatură se

obțin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant

3 se determină diametrul și icircnălțimea coloanei cu metodologia specifică tipului de

dispozitive de contactare (talere sau umplutură)

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vacircrful coloanei de desorbţie se pleacă de la faptul că icircn

condiţii de echilibru presiunea parţială a aburului (component majoritar la vacircrful coloanei) este egală cu

presiunea de vapori a apei Presiunea parţială a solutului ( H S2p ) este dată de legea lui Dalton

2

Tv

H S v abur apaP P y P (21)

unde PV reprezintă presiunea la vacircrful coloanei de desorbţie bar (din datele de proiectare)

20

TvapaP - presiunea de vapori a apei la temperatura de vacircrf

yabur - reprezintă fracţia molară de abur calculată cu relaţia (22)

Rabur R

R H S2

Ly

L G

(22)

LR ndash debitul de reflux calculat cu relaţia (23)

RR H S2

L R G (23)

R ndash raţia de reflux (din datele de proiectare)

RH S2

G - debitul de H2S absorbit kmoli

RL 3 33558 100674 kmolh 1812132kgh apă

abur

100674y 075

100674 33558

fracţii molare abur

TvH S apa2

p 12 075 09bar 750 675 mmHg P

Temperatura la vacircrf se calculează cu relaţia lui Antoine (24)

v

Tvapa

TC

BAlnP

(24)

unde

ABC reprezintă constantele lui Antoine pentru apă

ln v

v

381644675 183036 T 97 C

4613 T

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat icircn coloană este egală cu temperatura

de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie se alege

Tf =80ordmC

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 12: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

12

13 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de absorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată şi se parcurg

următoarele etape

- la temperatura medie pe coloană şi pentru valori de X cuprinse icircntre X0 şi Xn se citesc

din grafice din literatură valorile presiunii parţiale H2S

- din legea lui Dalton se calculează fracţiile molare ale H2S care apoi se transformă icircn

rapoarte molare Y

- curba de echilibru Y-X se reprezintă icircn grafic semilogaritmic

- se fixează coordonatele punctelor prin care trece dreapta de operare A(X0Y1) şi

B(YnYn+1)

Se alege Xn=06 kmoli H2S kmol MEA

X0= 005 kmol H2S kmol MEA

Yn+1= 00870 kmol H2S kmol metan

Y1= 000174 kmol H2S kmol metan

- pentru reprezentarea dreptei de operare icircn grafic semilogaritmic sunt necesare şi alte

puncte intermediare icircn afara punctelor extreme A şi B Icircn ecuaţia dreptei de operare

se dau valori lui Y icircntre X0 şi Xn şi se calculează valorile lui Y

- se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonatele Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi

curba de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B pacircnă la A

Numărul de orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă

13

Tabelul 11 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă P= 5 bar

X 2kmolH S

kmolMEA 2H Sp bar y= H S2

p P yY

1 y

kmolH2Skmol metan

005 16 10-4

32 10-5

32 10-5

01 59 10-4

118 10-4

118 10-4

02 39 10-3

78 10-4

78 10-4

03 115 10-3

23 10-3

23 10-3

04 45 10-2

9 10-3

908 10-3

05 69 10-2

14 10-2

142 10-2

06 98 10-2

19 10-2

19 10-2

Presupunem Xn = 06 kmol H2S kmol MEA

0L 610153 kmol h MEA

0G 393601 kmol h metan

Tabelul 12 Calculul curbei de operare pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă

X kmol H2S kmol MEA 0

n n 1

0

LY X X Y

G kmol H2S kmol metan

X0= 005 Y1 = 000174

01 000949

02 00250

03 00405

04 00560

05 00715

Xn=06 Yn+1 = 00870

Din graficul din Anexa 1 obţinem un număr de talere Ntt = 175

14

14 Dimensionarea coloanei de absorbţie

141 Diametrul coloanei de absorbţie

Coloana de absorbţie este echipată cu talere cu supape

Calculul diametrului se face conform metodologiei Glitsch

Debitele implicate icircn relaţii au fost calculate icircn subcapitolul11

TG = 7461300 kgh gaz bogat

n0s

L = 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

Masa molară medie a gazului bogat se calculează cu relația (111)

Mv= metan me tan H S H S2 2 M y M y (111)

Mv = 16 092 34 008 1744 kg kmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia (112)

3v

v

n 1

P M 5 17443526kg m

R T 0083 273 25

(112)

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

37461300V 0588m s

3526 3600

Densitatea soluţiei de MEA la ieşirea din coloană se citeşte din grafice din literatură la

temperatura din bază (se neglijează contribuţia H2S absorbit la densitatea soluţiei de absorbant)

ρl = 992 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relația (113)

05

vc

l v

V V

(113)

05

3c

3526V 0588 00351 m s

992 3526

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

26090139L 0438

992 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv= 2074 kgm3 şi s = 06 m şi se obţine

CAF = 042

15

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(114)

C

d

328VLC

30 v FI FS CAF

(115)

05

2

c

B B 314CD

1571

(116)

unde NP=1 FIcirc=07FS=07CAF=042 vd= 012

0438B 005575 0118

1 07 07 042

0438 328 00788C 1378

30 012 07 07 042

05

2

c

0118 0118 314 1378D 1617m

1571

142 Icircnălţimea coloanei de absorbţie

Icircnălţimea coloanei de absorbţie echipată cu talere cu supape se calculează cu relaţia

c TR V bI N 1 s I I (117)

NTR ndash numărul de talere reale din coloană se calculează după calculul eficacităţii medii globale

Icircn lipsa datelor generale de eficacitate Em sau a unor relaţii care să icircnglobeze efectul tuturor

factorilor care influenţează eficacitatea talerelor se recomandă ca Em să se estimeze icircn jur de

15

s ndash distanţa icircntre talere se alege 06 m

16

Icircv ndash icircnălţimea de la ultimul taler la vacircrful coloanei se alege 1 m

Icircb ndash icircnălţimea de la baza coloanei la primul taler din bază se alege 15 m

TTTR

m

N 175N 11667 12

E 015 talere reale

cI 12 1 06 1 15 91 m

15 Calculul pierderilor de absorbant

La vacircrful coloanei de absorbţie au loc pierderi de absorbant datorită antrenărilor cu gaz

inert Aceste pierderi se calculează cu relaţia

c

i ii 1

p 1 c

i ii 1

K xL G

1 K x

(118)

pL - reprezintă debitul molar de absorbant (apă şi amină) pierdut pe la vacircrful coloanei de

absorbţie

1G - debitul de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie kmolih

ix - fracţia molară a componentului i din amestecul absorbant

iK - constanta de echilibru a componentului i din amestecul absorbant la temperatura şi

presiunea de la vacircrful coloanei

Debitul molar de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie precum şi fracţiile

molare ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant sunt calculate anterior Constantele de echilibru

ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant la temperatura şi presiunea de la vacircrful coloanei sunt

2

apa

5

a min

K 1182 10

K 70605 10

5 5

p 5 5

1182 10 09506 70605 10 00494L 393601 4474

1 1182 10 09506 70605 10 00494

kmolih

17

Funcţiile molare icircn faza vapori se calculează cu relaţia

i i iY K x (119)

2

apay 1182 10 09506 00112 fracţii molare

5

aminay 70605 10 00494 000000349 fracţii molare

Pierderile din fiecare component al absorbantului sărac se calculează cu relaţiile

apap p 1 apaL L G y (120)

a min ap p 1 a minaL L G y (121)

yapă yamină ndash fracţiile molare icircn fază vapori

apapL 4474 393601 00112 4458 kmolih

apapL 80244kg h 1925856 kgzi

a min apL 4474 393601 000000349 0001385 kmolh

a min apL 00857kg h 20569 kgzi

Pentru completarea pierderilor de absorbant schema tehnologică a instalaţiei de

eliminare a H2S va fi prevăzută cu vas de completare cu absorbant

18

2 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE DESORBŢIE

Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din soluția de absorbant bogat ce

alimentează coloana de absorbție pentru un debit de abur de stripare dat un număr de talere sau

un strat de umplutură de o anumită icircnălțime Calculul acestora se face icircn funcție de numărul de

talere teoretice Pentru determinarea numărului de talere teoretice se aplică metoda grafică

simplificată iar datele de echilibru se obțin la temperaturi medii mari specifice operațiunii de

desorbție

Icircn practica industrială striparea gazelor acide (și icircn special a H2S) se face cu abur

indirect folosind un refierbător Aburul de stripare care părăsește coloana de vacircrf se condensează

și se reicircntoarce icircn coloană ca reflux

Fluxurile din coloana de stripare şi concentraţiile lor sunt cele simbolizate icircn figura 2

QC

QR

I

V yb

Lrsquox1

L x T0 0 B

TB

V y0 v vT

L x T0 n f

H S2

II

Figura 2 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de stripare

19

Icircn figura 2 semnificaţia simbolurilor este

Lo- reprezintatilde fluxul absorbant kmolih

LR ndash refluxul concentrate icircn apatildekmolih

Xn ndash concentraţia H2S icircn absorbantul bogat kmoli H2S kmol MEA

Xo ndash concentraţia H2S icircn absorbantul sărac kmoli H2S kmol MEA

YB- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din refierbatildetor kmol H2S kmol abur

Yv- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din coloanatilde kmol H2S kmol abur

Algoritmul de calcul al coloanei de desorbție are următoarele etape

1 se determină temperatura la vacircrful coloanei se efectuează bilanțul termic pe coloană

și se calculează debitul de vapori de stripare precum și consumul de abur la

refierbător

2 se calculează temperatura medie pe coloana de desorbție și la această temperatură se

obțin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant

3 se determină diametrul și icircnălțimea coloanei cu metodologia specifică tipului de

dispozitive de contactare (talere sau umplutură)

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vacircrful coloanei de desorbţie se pleacă de la faptul că icircn

condiţii de echilibru presiunea parţială a aburului (component majoritar la vacircrful coloanei) este egală cu

presiunea de vapori a apei Presiunea parţială a solutului ( H S2p ) este dată de legea lui Dalton

2

Tv

H S v abur apaP P y P (21)

unde PV reprezintă presiunea la vacircrful coloanei de desorbţie bar (din datele de proiectare)

20

TvapaP - presiunea de vapori a apei la temperatura de vacircrf

yabur - reprezintă fracţia molară de abur calculată cu relaţia (22)

Rabur R

R H S2

Ly

L G

(22)

LR ndash debitul de reflux calculat cu relaţia (23)

RR H S2

L R G (23)

R ndash raţia de reflux (din datele de proiectare)

RH S2

G - debitul de H2S absorbit kmoli

RL 3 33558 100674 kmolh 1812132kgh apă

abur

100674y 075

100674 33558

fracţii molare abur

TvH S apa2

p 12 075 09bar 750 675 mmHg P

Temperatura la vacircrf se calculează cu relaţia lui Antoine (24)

v

Tvapa

TC

BAlnP

(24)

unde

ABC reprezintă constantele lui Antoine pentru apă

ln v

v

381644675 183036 T 97 C

4613 T

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat icircn coloană este egală cu temperatura

de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie se alege

Tf =80ordmC

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 13: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

13

Tabelul 11 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă P= 5 bar

X 2kmolH S

kmolMEA 2H Sp bar y= H S2

p P yY

1 y

kmolH2Skmol metan

005 16 10-4

32 10-5

32 10-5

01 59 10-4

118 10-4

118 10-4

02 39 10-3

78 10-4

78 10-4

03 115 10-3

23 10-3

23 10-3

04 45 10-2

9 10-3

908 10-3

05 69 10-2

14 10-2

142 10-2

06 98 10-2

19 10-2

19 10-2

Presupunem Xn = 06 kmol H2S kmol MEA

0L 610153 kmol h MEA

0G 393601 kmol h metan

Tabelul 12 Calculul curbei de operare pentru coloana de absorbţie a H2S icircn soluţie de

MEA 15 masă

X kmol H2S kmol MEA 0

n n 1

0

LY X X Y

G kmol H2S kmol metan

X0= 005 Y1 = 000174

01 000949

02 00250

03 00405

04 00560

05 00715

Xn=06 Yn+1 = 00870

Din graficul din Anexa 1 obţinem un număr de talere Ntt = 175

14

14 Dimensionarea coloanei de absorbţie

141 Diametrul coloanei de absorbţie

Coloana de absorbţie este echipată cu talere cu supape

Calculul diametrului se face conform metodologiei Glitsch

Debitele implicate icircn relaţii au fost calculate icircn subcapitolul11

TG = 7461300 kgh gaz bogat

n0s

L = 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

Masa molară medie a gazului bogat se calculează cu relația (111)

Mv= metan me tan H S H S2 2 M y M y (111)

Mv = 16 092 34 008 1744 kg kmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia (112)

3v

v

n 1

P M 5 17443526kg m

R T 0083 273 25

(112)

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

37461300V 0588m s

3526 3600

Densitatea soluţiei de MEA la ieşirea din coloană se citeşte din grafice din literatură la

temperatura din bază (se neglijează contribuţia H2S absorbit la densitatea soluţiei de absorbant)

ρl = 992 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relația (113)

05

vc

l v

V V

(113)

05

3c

3526V 0588 00351 m s

992 3526

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

26090139L 0438

992 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv= 2074 kgm3 şi s = 06 m şi se obţine

CAF = 042

15

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(114)

C

d

328VLC

30 v FI FS CAF

(115)

05

2

c

B B 314CD

1571

(116)

unde NP=1 FIcirc=07FS=07CAF=042 vd= 012

0438B 005575 0118

1 07 07 042

0438 328 00788C 1378

30 012 07 07 042

05

2

c

0118 0118 314 1378D 1617m

1571

142 Icircnălţimea coloanei de absorbţie

Icircnălţimea coloanei de absorbţie echipată cu talere cu supape se calculează cu relaţia

c TR V bI N 1 s I I (117)

NTR ndash numărul de talere reale din coloană se calculează după calculul eficacităţii medii globale

Icircn lipsa datelor generale de eficacitate Em sau a unor relaţii care să icircnglobeze efectul tuturor

factorilor care influenţează eficacitatea talerelor se recomandă ca Em să se estimeze icircn jur de

15

s ndash distanţa icircntre talere se alege 06 m

16

Icircv ndash icircnălţimea de la ultimul taler la vacircrful coloanei se alege 1 m

Icircb ndash icircnălţimea de la baza coloanei la primul taler din bază se alege 15 m

TTTR

m

N 175N 11667 12

E 015 talere reale

cI 12 1 06 1 15 91 m

15 Calculul pierderilor de absorbant

La vacircrful coloanei de absorbţie au loc pierderi de absorbant datorită antrenărilor cu gaz

inert Aceste pierderi se calculează cu relaţia

c

i ii 1

p 1 c

i ii 1

K xL G

1 K x

(118)

pL - reprezintă debitul molar de absorbant (apă şi amină) pierdut pe la vacircrful coloanei de

absorbţie

1G - debitul de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie kmolih

ix - fracţia molară a componentului i din amestecul absorbant

iK - constanta de echilibru a componentului i din amestecul absorbant la temperatura şi

presiunea de la vacircrful coloanei

Debitul molar de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie precum şi fracţiile

molare ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant sunt calculate anterior Constantele de echilibru

ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant la temperatura şi presiunea de la vacircrful coloanei sunt

2

apa

5

a min

K 1182 10

K 70605 10

5 5

p 5 5

1182 10 09506 70605 10 00494L 393601 4474

1 1182 10 09506 70605 10 00494

kmolih

17

Funcţiile molare icircn faza vapori se calculează cu relaţia

i i iY K x (119)

2

apay 1182 10 09506 00112 fracţii molare

5

aminay 70605 10 00494 000000349 fracţii molare

Pierderile din fiecare component al absorbantului sărac se calculează cu relaţiile

apap p 1 apaL L G y (120)

a min ap p 1 a minaL L G y (121)

yapă yamină ndash fracţiile molare icircn fază vapori

apapL 4474 393601 00112 4458 kmolih

apapL 80244kg h 1925856 kgzi

a min apL 4474 393601 000000349 0001385 kmolh

a min apL 00857kg h 20569 kgzi

Pentru completarea pierderilor de absorbant schema tehnologică a instalaţiei de

eliminare a H2S va fi prevăzută cu vas de completare cu absorbant

18

2 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE DESORBŢIE

Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din soluția de absorbant bogat ce

alimentează coloana de absorbție pentru un debit de abur de stripare dat un număr de talere sau

un strat de umplutură de o anumită icircnălțime Calculul acestora se face icircn funcție de numărul de

talere teoretice Pentru determinarea numărului de talere teoretice se aplică metoda grafică

simplificată iar datele de echilibru se obțin la temperaturi medii mari specifice operațiunii de

desorbție

Icircn practica industrială striparea gazelor acide (și icircn special a H2S) se face cu abur

indirect folosind un refierbător Aburul de stripare care părăsește coloana de vacircrf se condensează

și se reicircntoarce icircn coloană ca reflux

Fluxurile din coloana de stripare şi concentraţiile lor sunt cele simbolizate icircn figura 2

QC

QR

I

V yb

Lrsquox1

L x T0 0 B

TB

V y0 v vT

L x T0 n f

H S2

II

Figura 2 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de stripare

19

Icircn figura 2 semnificaţia simbolurilor este

Lo- reprezintatilde fluxul absorbant kmolih

LR ndash refluxul concentrate icircn apatildekmolih

Xn ndash concentraţia H2S icircn absorbantul bogat kmoli H2S kmol MEA

Xo ndash concentraţia H2S icircn absorbantul sărac kmoli H2S kmol MEA

YB- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din refierbatildetor kmol H2S kmol abur

Yv- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din coloanatilde kmol H2S kmol abur

Algoritmul de calcul al coloanei de desorbție are următoarele etape

1 se determină temperatura la vacircrful coloanei se efectuează bilanțul termic pe coloană

și se calculează debitul de vapori de stripare precum și consumul de abur la

refierbător

2 se calculează temperatura medie pe coloana de desorbție și la această temperatură se

obțin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant

3 se determină diametrul și icircnălțimea coloanei cu metodologia specifică tipului de

dispozitive de contactare (talere sau umplutură)

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vacircrful coloanei de desorbţie se pleacă de la faptul că icircn

condiţii de echilibru presiunea parţială a aburului (component majoritar la vacircrful coloanei) este egală cu

presiunea de vapori a apei Presiunea parţială a solutului ( H S2p ) este dată de legea lui Dalton

2

Tv

H S v abur apaP P y P (21)

unde PV reprezintă presiunea la vacircrful coloanei de desorbţie bar (din datele de proiectare)

20

TvapaP - presiunea de vapori a apei la temperatura de vacircrf

yabur - reprezintă fracţia molară de abur calculată cu relaţia (22)

Rabur R

R H S2

Ly

L G

(22)

LR ndash debitul de reflux calculat cu relaţia (23)

RR H S2

L R G (23)

R ndash raţia de reflux (din datele de proiectare)

RH S2

G - debitul de H2S absorbit kmoli

RL 3 33558 100674 kmolh 1812132kgh apă

abur

100674y 075

100674 33558

fracţii molare abur

TvH S apa2

p 12 075 09bar 750 675 mmHg P

Temperatura la vacircrf se calculează cu relaţia lui Antoine (24)

v

Tvapa

TC

BAlnP

(24)

unde

ABC reprezintă constantele lui Antoine pentru apă

ln v

v

381644675 183036 T 97 C

4613 T

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat icircn coloană este egală cu temperatura

de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie se alege

Tf =80ordmC

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 14: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

14

14 Dimensionarea coloanei de absorbţie

141 Diametrul coloanei de absorbţie

Coloana de absorbţie este echipată cu talere cu supape

Calculul diametrului se face conform metodologiei Glitsch

Debitele implicate icircn relaţii au fost calculate icircn subcapitolul11

TG = 7461300 kgh gaz bogat

n0s

L = 26090139 kgh soluţie absorbant bogat

Masa molară medie a gazului bogat se calculează cu relația (111)

Mv= metan me tan H S H S2 2 M y M y (111)

Mv = 16 092 34 008 1744 kg kmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia (112)

3v

v

n 1

P M 5 17443526kg m

R T 0083 273 25

(112)

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

37461300V 0588m s

3526 3600

Densitatea soluţiei de MEA la ieşirea din coloană se citeşte din grafice din literatură la

temperatura din bază (se neglijează contribuţia H2S absorbit la densitatea soluţiei de absorbant)

ρl = 992 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relația (113)

05

vc

l v

V V

(113)

05

3c

3526V 0588 00351 m s

992 3526

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

26090139L 0438

992 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv= 2074 kgm3 şi s = 06 m şi se obţine

CAF = 042

15

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(114)

C

d

328VLC

30 v FI FS CAF

(115)

05

2

c

B B 314CD

1571

(116)

unde NP=1 FIcirc=07FS=07CAF=042 vd= 012

0438B 005575 0118

1 07 07 042

0438 328 00788C 1378

30 012 07 07 042

05

2

c

0118 0118 314 1378D 1617m

1571

142 Icircnălţimea coloanei de absorbţie

Icircnălţimea coloanei de absorbţie echipată cu talere cu supape se calculează cu relaţia

c TR V bI N 1 s I I (117)

NTR ndash numărul de talere reale din coloană se calculează după calculul eficacităţii medii globale

Icircn lipsa datelor generale de eficacitate Em sau a unor relaţii care să icircnglobeze efectul tuturor

factorilor care influenţează eficacitatea talerelor se recomandă ca Em să se estimeze icircn jur de

15

s ndash distanţa icircntre talere se alege 06 m

16

Icircv ndash icircnălţimea de la ultimul taler la vacircrful coloanei se alege 1 m

Icircb ndash icircnălţimea de la baza coloanei la primul taler din bază se alege 15 m

TTTR

m

N 175N 11667 12

E 015 talere reale

cI 12 1 06 1 15 91 m

15 Calculul pierderilor de absorbant

La vacircrful coloanei de absorbţie au loc pierderi de absorbant datorită antrenărilor cu gaz

inert Aceste pierderi se calculează cu relaţia

c

i ii 1

p 1 c

i ii 1

K xL G

1 K x

(118)

pL - reprezintă debitul molar de absorbant (apă şi amină) pierdut pe la vacircrful coloanei de

absorbţie

1G - debitul de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie kmolih

ix - fracţia molară a componentului i din amestecul absorbant

iK - constanta de echilibru a componentului i din amestecul absorbant la temperatura şi

presiunea de la vacircrful coloanei

Debitul molar de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie precum şi fracţiile

molare ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant sunt calculate anterior Constantele de echilibru

ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant la temperatura şi presiunea de la vacircrful coloanei sunt

2

apa

5

a min

K 1182 10

K 70605 10

5 5

p 5 5

1182 10 09506 70605 10 00494L 393601 4474

1 1182 10 09506 70605 10 00494

kmolih

17

Funcţiile molare icircn faza vapori se calculează cu relaţia

i i iY K x (119)

2

apay 1182 10 09506 00112 fracţii molare

5

aminay 70605 10 00494 000000349 fracţii molare

Pierderile din fiecare component al absorbantului sărac se calculează cu relaţiile

apap p 1 apaL L G y (120)

a min ap p 1 a minaL L G y (121)

yapă yamină ndash fracţiile molare icircn fază vapori

apapL 4474 393601 00112 4458 kmolih

apapL 80244kg h 1925856 kgzi

a min apL 4474 393601 000000349 0001385 kmolh

a min apL 00857kg h 20569 kgzi

Pentru completarea pierderilor de absorbant schema tehnologică a instalaţiei de

eliminare a H2S va fi prevăzută cu vas de completare cu absorbant

18

2 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE DESORBŢIE

Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din soluția de absorbant bogat ce

alimentează coloana de absorbție pentru un debit de abur de stripare dat un număr de talere sau

un strat de umplutură de o anumită icircnălțime Calculul acestora se face icircn funcție de numărul de

talere teoretice Pentru determinarea numărului de talere teoretice se aplică metoda grafică

simplificată iar datele de echilibru se obțin la temperaturi medii mari specifice operațiunii de

desorbție

Icircn practica industrială striparea gazelor acide (și icircn special a H2S) se face cu abur

indirect folosind un refierbător Aburul de stripare care părăsește coloana de vacircrf se condensează

și se reicircntoarce icircn coloană ca reflux

Fluxurile din coloana de stripare şi concentraţiile lor sunt cele simbolizate icircn figura 2

QC

QR

I

V yb

Lrsquox1

L x T0 0 B

TB

V y0 v vT

L x T0 n f

H S2

II

Figura 2 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de stripare

19

Icircn figura 2 semnificaţia simbolurilor este

Lo- reprezintatilde fluxul absorbant kmolih

LR ndash refluxul concentrate icircn apatildekmolih

Xn ndash concentraţia H2S icircn absorbantul bogat kmoli H2S kmol MEA

Xo ndash concentraţia H2S icircn absorbantul sărac kmoli H2S kmol MEA

YB- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din refierbatildetor kmol H2S kmol abur

Yv- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din coloanatilde kmol H2S kmol abur

Algoritmul de calcul al coloanei de desorbție are următoarele etape

1 se determină temperatura la vacircrful coloanei se efectuează bilanțul termic pe coloană

și se calculează debitul de vapori de stripare precum și consumul de abur la

refierbător

2 se calculează temperatura medie pe coloana de desorbție și la această temperatură se

obțin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant

3 se determină diametrul și icircnălțimea coloanei cu metodologia specifică tipului de

dispozitive de contactare (talere sau umplutură)

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vacircrful coloanei de desorbţie se pleacă de la faptul că icircn

condiţii de echilibru presiunea parţială a aburului (component majoritar la vacircrful coloanei) este egală cu

presiunea de vapori a apei Presiunea parţială a solutului ( H S2p ) este dată de legea lui Dalton

2

Tv

H S v abur apaP P y P (21)

unde PV reprezintă presiunea la vacircrful coloanei de desorbţie bar (din datele de proiectare)

20

TvapaP - presiunea de vapori a apei la temperatura de vacircrf

yabur - reprezintă fracţia molară de abur calculată cu relaţia (22)

Rabur R

R H S2

Ly

L G

(22)

LR ndash debitul de reflux calculat cu relaţia (23)

RR H S2

L R G (23)

R ndash raţia de reflux (din datele de proiectare)

RH S2

G - debitul de H2S absorbit kmoli

RL 3 33558 100674 kmolh 1812132kgh apă

abur

100674y 075

100674 33558

fracţii molare abur

TvH S apa2

p 12 075 09bar 750 675 mmHg P

Temperatura la vacircrf se calculează cu relaţia lui Antoine (24)

v

Tvapa

TC

BAlnP

(24)

unde

ABC reprezintă constantele lui Antoine pentru apă

ln v

v

381644675 183036 T 97 C

4613 T

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat icircn coloană este egală cu temperatura

de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie se alege

Tf =80ordmC

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 15: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

15

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(114)

C

d

328VLC

30 v FI FS CAF

(115)

05

2

c

B B 314CD

1571

(116)

unde NP=1 FIcirc=07FS=07CAF=042 vd= 012

0438B 005575 0118

1 07 07 042

0438 328 00788C 1378

30 012 07 07 042

05

2

c

0118 0118 314 1378D 1617m

1571

142 Icircnălţimea coloanei de absorbţie

Icircnălţimea coloanei de absorbţie echipată cu talere cu supape se calculează cu relaţia

c TR V bI N 1 s I I (117)

NTR ndash numărul de talere reale din coloană se calculează după calculul eficacităţii medii globale

Icircn lipsa datelor generale de eficacitate Em sau a unor relaţii care să icircnglobeze efectul tuturor

factorilor care influenţează eficacitatea talerelor se recomandă ca Em să se estimeze icircn jur de

15

s ndash distanţa icircntre talere se alege 06 m

16

Icircv ndash icircnălţimea de la ultimul taler la vacircrful coloanei se alege 1 m

Icircb ndash icircnălţimea de la baza coloanei la primul taler din bază se alege 15 m

TTTR

m

N 175N 11667 12

E 015 talere reale

cI 12 1 06 1 15 91 m

15 Calculul pierderilor de absorbant

La vacircrful coloanei de absorbţie au loc pierderi de absorbant datorită antrenărilor cu gaz

inert Aceste pierderi se calculează cu relaţia

c

i ii 1

p 1 c

i ii 1

K xL G

1 K x

(118)

pL - reprezintă debitul molar de absorbant (apă şi amină) pierdut pe la vacircrful coloanei de

absorbţie

1G - debitul de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie kmolih

ix - fracţia molară a componentului i din amestecul absorbant

iK - constanta de echilibru a componentului i din amestecul absorbant la temperatura şi

presiunea de la vacircrful coloanei

Debitul molar de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie precum şi fracţiile

molare ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant sunt calculate anterior Constantele de echilibru

ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant la temperatura şi presiunea de la vacircrful coloanei sunt

2

apa

5

a min

K 1182 10

K 70605 10

5 5

p 5 5

1182 10 09506 70605 10 00494L 393601 4474

1 1182 10 09506 70605 10 00494

kmolih

17

Funcţiile molare icircn faza vapori se calculează cu relaţia

i i iY K x (119)

2

apay 1182 10 09506 00112 fracţii molare

5

aminay 70605 10 00494 000000349 fracţii molare

Pierderile din fiecare component al absorbantului sărac se calculează cu relaţiile

apap p 1 apaL L G y (120)

a min ap p 1 a minaL L G y (121)

yapă yamină ndash fracţiile molare icircn fază vapori

apapL 4474 393601 00112 4458 kmolih

apapL 80244kg h 1925856 kgzi

a min apL 4474 393601 000000349 0001385 kmolh

a min apL 00857kg h 20569 kgzi

Pentru completarea pierderilor de absorbant schema tehnologică a instalaţiei de

eliminare a H2S va fi prevăzută cu vas de completare cu absorbant

18

2 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE DESORBŢIE

Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din soluția de absorbant bogat ce

alimentează coloana de absorbție pentru un debit de abur de stripare dat un număr de talere sau

un strat de umplutură de o anumită icircnălțime Calculul acestora se face icircn funcție de numărul de

talere teoretice Pentru determinarea numărului de talere teoretice se aplică metoda grafică

simplificată iar datele de echilibru se obțin la temperaturi medii mari specifice operațiunii de

desorbție

Icircn practica industrială striparea gazelor acide (și icircn special a H2S) se face cu abur

indirect folosind un refierbător Aburul de stripare care părăsește coloana de vacircrf se condensează

și se reicircntoarce icircn coloană ca reflux

Fluxurile din coloana de stripare şi concentraţiile lor sunt cele simbolizate icircn figura 2

QC

QR

I

V yb

Lrsquox1

L x T0 0 B

TB

V y0 v vT

L x T0 n f

H S2

II

Figura 2 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de stripare

19

Icircn figura 2 semnificaţia simbolurilor este

Lo- reprezintatilde fluxul absorbant kmolih

LR ndash refluxul concentrate icircn apatildekmolih

Xn ndash concentraţia H2S icircn absorbantul bogat kmoli H2S kmol MEA

Xo ndash concentraţia H2S icircn absorbantul sărac kmoli H2S kmol MEA

YB- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din refierbatildetor kmol H2S kmol abur

Yv- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din coloanatilde kmol H2S kmol abur

Algoritmul de calcul al coloanei de desorbție are următoarele etape

1 se determină temperatura la vacircrful coloanei se efectuează bilanțul termic pe coloană

și se calculează debitul de vapori de stripare precum și consumul de abur la

refierbător

2 se calculează temperatura medie pe coloana de desorbție și la această temperatură se

obțin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant

3 se determină diametrul și icircnălțimea coloanei cu metodologia specifică tipului de

dispozitive de contactare (talere sau umplutură)

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vacircrful coloanei de desorbţie se pleacă de la faptul că icircn

condiţii de echilibru presiunea parţială a aburului (component majoritar la vacircrful coloanei) este egală cu

presiunea de vapori a apei Presiunea parţială a solutului ( H S2p ) este dată de legea lui Dalton

2

Tv

H S v abur apaP P y P (21)

unde PV reprezintă presiunea la vacircrful coloanei de desorbţie bar (din datele de proiectare)

20

TvapaP - presiunea de vapori a apei la temperatura de vacircrf

yabur - reprezintă fracţia molară de abur calculată cu relaţia (22)

Rabur R

R H S2

Ly

L G

(22)

LR ndash debitul de reflux calculat cu relaţia (23)

RR H S2

L R G (23)

R ndash raţia de reflux (din datele de proiectare)

RH S2

G - debitul de H2S absorbit kmoli

RL 3 33558 100674 kmolh 1812132kgh apă

abur

100674y 075

100674 33558

fracţii molare abur

TvH S apa2

p 12 075 09bar 750 675 mmHg P

Temperatura la vacircrf se calculează cu relaţia lui Antoine (24)

v

Tvapa

TC

BAlnP

(24)

unde

ABC reprezintă constantele lui Antoine pentru apă

ln v

v

381644675 183036 T 97 C

4613 T

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat icircn coloană este egală cu temperatura

de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie se alege

Tf =80ordmC

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 16: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

16

Icircv ndash icircnălţimea de la ultimul taler la vacircrful coloanei se alege 1 m

Icircb ndash icircnălţimea de la baza coloanei la primul taler din bază se alege 15 m

TTTR

m

N 175N 11667 12

E 015 talere reale

cI 12 1 06 1 15 91 m

15 Calculul pierderilor de absorbant

La vacircrful coloanei de absorbţie au loc pierderi de absorbant datorită antrenărilor cu gaz

inert Aceste pierderi se calculează cu relaţia

c

i ii 1

p 1 c

i ii 1

K xL G

1 K x

(118)

pL - reprezintă debitul molar de absorbant (apă şi amină) pierdut pe la vacircrful coloanei de

absorbţie

1G - debitul de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie kmolih

ix - fracţia molară a componentului i din amestecul absorbant

iK - constanta de echilibru a componentului i din amestecul absorbant la temperatura şi

presiunea de la vacircrful coloanei

Debitul molar de gaz purificat de la vacircrful coloanei de absorbţie precum şi fracţiile

molare ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant sunt calculate anterior Constantele de echilibru

ale apei şi MEA icircn amestecul absorbant la temperatura şi presiunea de la vacircrful coloanei sunt

2

apa

5

a min

K 1182 10

K 70605 10

5 5

p 5 5

1182 10 09506 70605 10 00494L 393601 4474

1 1182 10 09506 70605 10 00494

kmolih

17

Funcţiile molare icircn faza vapori se calculează cu relaţia

i i iY K x (119)

2

apay 1182 10 09506 00112 fracţii molare

5

aminay 70605 10 00494 000000349 fracţii molare

Pierderile din fiecare component al absorbantului sărac se calculează cu relaţiile

apap p 1 apaL L G y (120)

a min ap p 1 a minaL L G y (121)

yapă yamină ndash fracţiile molare icircn fază vapori

apapL 4474 393601 00112 4458 kmolih

apapL 80244kg h 1925856 kgzi

a min apL 4474 393601 000000349 0001385 kmolh

a min apL 00857kg h 20569 kgzi

Pentru completarea pierderilor de absorbant schema tehnologică a instalaţiei de

eliminare a H2S va fi prevăzută cu vas de completare cu absorbant

18

2 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE DESORBŢIE

Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din soluția de absorbant bogat ce

alimentează coloana de absorbție pentru un debit de abur de stripare dat un număr de talere sau

un strat de umplutură de o anumită icircnălțime Calculul acestora se face icircn funcție de numărul de

talere teoretice Pentru determinarea numărului de talere teoretice se aplică metoda grafică

simplificată iar datele de echilibru se obțin la temperaturi medii mari specifice operațiunii de

desorbție

Icircn practica industrială striparea gazelor acide (și icircn special a H2S) se face cu abur

indirect folosind un refierbător Aburul de stripare care părăsește coloana de vacircrf se condensează

și se reicircntoarce icircn coloană ca reflux

Fluxurile din coloana de stripare şi concentraţiile lor sunt cele simbolizate icircn figura 2

QC

QR

I

V yb

Lrsquox1

L x T0 0 B

TB

V y0 v vT

L x T0 n f

H S2

II

Figura 2 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de stripare

19

Icircn figura 2 semnificaţia simbolurilor este

Lo- reprezintatilde fluxul absorbant kmolih

LR ndash refluxul concentrate icircn apatildekmolih

Xn ndash concentraţia H2S icircn absorbantul bogat kmoli H2S kmol MEA

Xo ndash concentraţia H2S icircn absorbantul sărac kmoli H2S kmol MEA

YB- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din refierbatildetor kmol H2S kmol abur

Yv- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din coloanatilde kmol H2S kmol abur

Algoritmul de calcul al coloanei de desorbție are următoarele etape

1 se determină temperatura la vacircrful coloanei se efectuează bilanțul termic pe coloană

și se calculează debitul de vapori de stripare precum și consumul de abur la

refierbător

2 se calculează temperatura medie pe coloana de desorbție și la această temperatură se

obțin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant

3 se determină diametrul și icircnălțimea coloanei cu metodologia specifică tipului de

dispozitive de contactare (talere sau umplutură)

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vacircrful coloanei de desorbţie se pleacă de la faptul că icircn

condiţii de echilibru presiunea parţială a aburului (component majoritar la vacircrful coloanei) este egală cu

presiunea de vapori a apei Presiunea parţială a solutului ( H S2p ) este dată de legea lui Dalton

2

Tv

H S v abur apaP P y P (21)

unde PV reprezintă presiunea la vacircrful coloanei de desorbţie bar (din datele de proiectare)

20

TvapaP - presiunea de vapori a apei la temperatura de vacircrf

yabur - reprezintă fracţia molară de abur calculată cu relaţia (22)

Rabur R

R H S2

Ly

L G

(22)

LR ndash debitul de reflux calculat cu relaţia (23)

RR H S2

L R G (23)

R ndash raţia de reflux (din datele de proiectare)

RH S2

G - debitul de H2S absorbit kmoli

RL 3 33558 100674 kmolh 1812132kgh apă

abur

100674y 075

100674 33558

fracţii molare abur

TvH S apa2

p 12 075 09bar 750 675 mmHg P

Temperatura la vacircrf se calculează cu relaţia lui Antoine (24)

v

Tvapa

TC

BAlnP

(24)

unde

ABC reprezintă constantele lui Antoine pentru apă

ln v

v

381644675 183036 T 97 C

4613 T

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat icircn coloană este egală cu temperatura

de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie se alege

Tf =80ordmC

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 17: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

17

Funcţiile molare icircn faza vapori se calculează cu relaţia

i i iY K x (119)

2

apay 1182 10 09506 00112 fracţii molare

5

aminay 70605 10 00494 000000349 fracţii molare

Pierderile din fiecare component al absorbantului sărac se calculează cu relaţiile

apap p 1 apaL L G y (120)

a min ap p 1 a minaL L G y (121)

yapă yamină ndash fracţiile molare icircn fază vapori

apapL 4474 393601 00112 4458 kmolih

apapL 80244kg h 1925856 kgzi

a min apL 4474 393601 000000349 0001385 kmolh

a min apL 00857kg h 20569 kgzi

Pentru completarea pierderilor de absorbant schema tehnologică a instalaţiei de

eliminare a H2S va fi prevăzută cu vas de completare cu absorbant

18

2 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE DESORBŢIE

Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din soluția de absorbant bogat ce

alimentează coloana de absorbție pentru un debit de abur de stripare dat un număr de talere sau

un strat de umplutură de o anumită icircnălțime Calculul acestora se face icircn funcție de numărul de

talere teoretice Pentru determinarea numărului de talere teoretice se aplică metoda grafică

simplificată iar datele de echilibru se obțin la temperaturi medii mari specifice operațiunii de

desorbție

Icircn practica industrială striparea gazelor acide (și icircn special a H2S) se face cu abur

indirect folosind un refierbător Aburul de stripare care părăsește coloana de vacircrf se condensează

și se reicircntoarce icircn coloană ca reflux

Fluxurile din coloana de stripare şi concentraţiile lor sunt cele simbolizate icircn figura 2

QC

QR

I

V yb

Lrsquox1

L x T0 0 B

TB

V y0 v vT

L x T0 n f

H S2

II

Figura 2 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de stripare

19

Icircn figura 2 semnificaţia simbolurilor este

Lo- reprezintatilde fluxul absorbant kmolih

LR ndash refluxul concentrate icircn apatildekmolih

Xn ndash concentraţia H2S icircn absorbantul bogat kmoli H2S kmol MEA

Xo ndash concentraţia H2S icircn absorbantul sărac kmoli H2S kmol MEA

YB- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din refierbatildetor kmol H2S kmol abur

Yv- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din coloanatilde kmol H2S kmol abur

Algoritmul de calcul al coloanei de desorbție are următoarele etape

1 se determină temperatura la vacircrful coloanei se efectuează bilanțul termic pe coloană

și se calculează debitul de vapori de stripare precum și consumul de abur la

refierbător

2 se calculează temperatura medie pe coloana de desorbție și la această temperatură se

obțin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant

3 se determină diametrul și icircnălțimea coloanei cu metodologia specifică tipului de

dispozitive de contactare (talere sau umplutură)

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vacircrful coloanei de desorbţie se pleacă de la faptul că icircn

condiţii de echilibru presiunea parţială a aburului (component majoritar la vacircrful coloanei) este egală cu

presiunea de vapori a apei Presiunea parţială a solutului ( H S2p ) este dată de legea lui Dalton

2

Tv

H S v abur apaP P y P (21)

unde PV reprezintă presiunea la vacircrful coloanei de desorbţie bar (din datele de proiectare)

20

TvapaP - presiunea de vapori a apei la temperatura de vacircrf

yabur - reprezintă fracţia molară de abur calculată cu relaţia (22)

Rabur R

R H S2

Ly

L G

(22)

LR ndash debitul de reflux calculat cu relaţia (23)

RR H S2

L R G (23)

R ndash raţia de reflux (din datele de proiectare)

RH S2

G - debitul de H2S absorbit kmoli

RL 3 33558 100674 kmolh 1812132kgh apă

abur

100674y 075

100674 33558

fracţii molare abur

TvH S apa2

p 12 075 09bar 750 675 mmHg P

Temperatura la vacircrf se calculează cu relaţia lui Antoine (24)

v

Tvapa

TC

BAlnP

(24)

unde

ABC reprezintă constantele lui Antoine pentru apă

ln v

v

381644675 183036 T 97 C

4613 T

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat icircn coloană este egală cu temperatura

de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie se alege

Tf =80ordmC

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 18: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

18

2 PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE DESORBŢIE

Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din soluția de absorbant bogat ce

alimentează coloana de absorbție pentru un debit de abur de stripare dat un număr de talere sau

un strat de umplutură de o anumită icircnălțime Calculul acestora se face icircn funcție de numărul de

talere teoretice Pentru determinarea numărului de talere teoretice se aplică metoda grafică

simplificată iar datele de echilibru se obțin la temperaturi medii mari specifice operațiunii de

desorbție

Icircn practica industrială striparea gazelor acide (și icircn special a H2S) se face cu abur

indirect folosind un refierbător Aburul de stripare care părăsește coloana de vacircrf se condensează

și se reicircntoarce icircn coloană ca reflux

Fluxurile din coloana de stripare şi concentraţiile lor sunt cele simbolizate icircn figura 2

QC

QR

I

V yb

Lrsquox1

L x T0 0 B

TB

V y0 v vT

L x T0 n f

H S2

II

Figura 2 Fluxurile şi concentraţiile lor icircn coloana de stripare

19

Icircn figura 2 semnificaţia simbolurilor este

Lo- reprezintatilde fluxul absorbant kmolih

LR ndash refluxul concentrate icircn apatildekmolih

Xn ndash concentraţia H2S icircn absorbantul bogat kmoli H2S kmol MEA

Xo ndash concentraţia H2S icircn absorbantul sărac kmoli H2S kmol MEA

YB- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din refierbatildetor kmol H2S kmol abur

Yv- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din coloanatilde kmol H2S kmol abur

Algoritmul de calcul al coloanei de desorbție are următoarele etape

1 se determină temperatura la vacircrful coloanei se efectuează bilanțul termic pe coloană

și se calculează debitul de vapori de stripare precum și consumul de abur la

refierbător

2 se calculează temperatura medie pe coloana de desorbție și la această temperatură se

obțin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant

3 se determină diametrul și icircnălțimea coloanei cu metodologia specifică tipului de

dispozitive de contactare (talere sau umplutură)

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vacircrful coloanei de desorbţie se pleacă de la faptul că icircn

condiţii de echilibru presiunea parţială a aburului (component majoritar la vacircrful coloanei) este egală cu

presiunea de vapori a apei Presiunea parţială a solutului ( H S2p ) este dată de legea lui Dalton

2

Tv

H S v abur apaP P y P (21)

unde PV reprezintă presiunea la vacircrful coloanei de desorbţie bar (din datele de proiectare)

20

TvapaP - presiunea de vapori a apei la temperatura de vacircrf

yabur - reprezintă fracţia molară de abur calculată cu relaţia (22)

Rabur R

R H S2

Ly

L G

(22)

LR ndash debitul de reflux calculat cu relaţia (23)

RR H S2

L R G (23)

R ndash raţia de reflux (din datele de proiectare)

RH S2

G - debitul de H2S absorbit kmoli

RL 3 33558 100674 kmolh 1812132kgh apă

abur

100674y 075

100674 33558

fracţii molare abur

TvH S apa2

p 12 075 09bar 750 675 mmHg P

Temperatura la vacircrf se calculează cu relaţia lui Antoine (24)

v

Tvapa

TC

BAlnP

(24)

unde

ABC reprezintă constantele lui Antoine pentru apă

ln v

v

381644675 183036 T 97 C

4613 T

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat icircn coloană este egală cu temperatura

de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie se alege

Tf =80ordmC

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 19: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

19

Icircn figura 2 semnificaţia simbolurilor este

Lo- reprezintatilde fluxul absorbant kmolih

LR ndash refluxul concentrate icircn apatildekmolih

Xn ndash concentraţia H2S icircn absorbantul bogat kmoli H2S kmol MEA

Xo ndash concentraţia H2S icircn absorbantul sărac kmoli H2S kmol MEA

YB- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din refierbatildetor kmol H2S kmol abur

Yv- ndash concentraţia H2S icircn abur la ieşirea din coloanatilde kmol H2S kmol abur

Algoritmul de calcul al coloanei de desorbție are următoarele etape

1 se determină temperatura la vacircrful coloanei se efectuează bilanțul termic pe coloană

și se calculează debitul de vapori de stripare precum și consumul de abur la

refierbător

2 se calculează temperatura medie pe coloana de desorbție și la această temperatură se

obțin datele de echilibru pentru sistemul solut-absorbant

3 se determină diametrul și icircnălțimea coloanei cu metodologia specifică tipului de

dispozitive de contactare (talere sau umplutură)

21 Bilanțul termic și regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vacircrful coloanei de desorbţie se pleacă de la faptul că icircn

condiţii de echilibru presiunea parţială a aburului (component majoritar la vacircrful coloanei) este egală cu

presiunea de vapori a apei Presiunea parţială a solutului ( H S2p ) este dată de legea lui Dalton

2

Tv

H S v abur apaP P y P (21)

unde PV reprezintă presiunea la vacircrful coloanei de desorbţie bar (din datele de proiectare)

20

TvapaP - presiunea de vapori a apei la temperatura de vacircrf

yabur - reprezintă fracţia molară de abur calculată cu relaţia (22)

Rabur R

R H S2

Ly

L G

(22)

LR ndash debitul de reflux calculat cu relaţia (23)

RR H S2

L R G (23)

R ndash raţia de reflux (din datele de proiectare)

RH S2

G - debitul de H2S absorbit kmoli

RL 3 33558 100674 kmolh 1812132kgh apă

abur

100674y 075

100674 33558

fracţii molare abur

TvH S apa2

p 12 075 09bar 750 675 mmHg P

Temperatura la vacircrf se calculează cu relaţia lui Antoine (24)

v

Tvapa

TC

BAlnP

(24)

unde

ABC reprezintă constantele lui Antoine pentru apă

ln v

v

381644675 183036 T 97 C

4613 T

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat icircn coloană este egală cu temperatura

de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie se alege

Tf =80ordmC

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 20: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

20

TvapaP - presiunea de vapori a apei la temperatura de vacircrf

yabur - reprezintă fracţia molară de abur calculată cu relaţia (22)

Rabur R

R H S2

Ly

L G

(22)

LR ndash debitul de reflux calculat cu relaţia (23)

RR H S2

L R G (23)

R ndash raţia de reflux (din datele de proiectare)

RH S2

G - debitul de H2S absorbit kmoli

RL 3 33558 100674 kmolh 1812132kgh apă

abur

100674y 075

100674 33558

fracţii molare abur

TvH S apa2

p 12 075 09bar 750 675 mmHg P

Temperatura la vacircrf se calculează cu relaţia lui Antoine (24)

v

Tvapa

TC

BAlnP

(24)

unde

ABC reprezintă constantele lui Antoine pentru apă

ln v

v

381644675 183036 T 97 C

4613 T

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat icircn coloană este egală cu temperatura

de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie se alege

Tf =80ordmC

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 21: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

21

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică icircntre temperatura

din vacircrf şi temperatura din bază (din datele de proiectare)

0B Vm

T T 115 97T 106 C

2 2

Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică icircntre presiunea din vacircrf şi

presiunea din bază (din datele de proiectare)

B Vm

P P 12 14P 13bar

2 2

Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului respectiv consumul de abur VB se

efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului I din figura 2

T TT T T TR RV Vf f R B0s H S R B 0 H S 0sL H S L V H S L2 2os 2 R o 2 os

L h G h L h Q V H G H L h (25)

unde

f

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf kJk

0V - debitul de vapori de apă de la vacircrful coloanei kgh

V

o

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV kJkg

RL - debitul de reflux (apă) (V0=LR) kgh

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR kJkg

B

os

T

Lh - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător kJkg

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 22: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

22

Relaţia (25) se poate scrie ţinacircnd seama de căldurile specifice

)TT(cL)hh(L fBp0T

L

T

L0S0LS

f

S0

B

S0S

(26)

Neglijacircnd diferenţa de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie

T TR R V fH S R H S H S H S2 2 2 2

G H G (H h ) (27)

Ținacircnd cont de relațiile (26) și (27) relația (25) devine

T T RV R

B 0 p B f 0 H S RV LS L0 20 RSQ L c (T T ) V (H h ) G H (28)

Se calculează sarcina termică a refierbătorului cu relația (28)

V

0

T

VH - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

V

0

T

VH 26715 kJ kg

R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60ordmC s-a citit din tabele din literatură kJkg

R

R

T

Lh = 2511 kJkg

pLos

c -se citeşte din grafice din literatură icircn funcţie de temperatura medie aritmetică icircntre TB şi

TR şi concentraţia soluţiei de MEA

0

pLos

c 41kJ kg C

RH se citeşte din tabele din literatură icircn funcţie de tipul absorbantului

RH = 1910 kJkg

Debitele masice ale fluxurilor implicate s-au calculat anterior

BQ 24845433 41 115 80 1812132 26715 2511 1140972 1910 1013066045kJ h

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 23: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

23

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB

B

TV

BB

l

QV (29)

unde

BTVl reprezintă căldura latentă de vaporizare a lichidului din refierbător icircn kJkg şi se calculează

cu relaţia (210)

)y1(lyll BBBT

aminaTapa

TV (210)

BTapal - căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB kJkg

BT

a minal - căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB kJkg

y ndash fracţia molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină care se calculează

conform indicațiilor din literatură

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relația (29) se calculează BT

Vl cu relația (210)

Fracția molară a apei icircn vaporii VB la echilibru cu soluția apoasă de amină se determină astfel

pentru o soluţie care conţine 15 masa amină şi 85 masă apă se citeşte din grafice din

literatură compoziţia apei icircn fază vapori şi se obţine 99 masă se transformă compoziţia fazei

vapori din masă icircn fracţii molare şi se găseşte y=0997 fracţii molare apă

BT

Vl (27048 4867) 0997 892 (1 0997) 2214kJ kg

B

1013066045 4575727kg hV 254207kmol h

2214 18

Debitul de abur la refierbător GB se calculează consideracircnd că se foloseşte abur de 5

bar şi temperatura de 115ordmC

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 24: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

24

10130660454872618

27533 6742BG

kgh

22 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată bazată pe

curba de echilibru pentru sistemul H2S-MEA la temperatura și presiunea medie din coloană şi pe

dreapta de operare Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale

H2S citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana

de desorbţie Tm=106ordmC Rezultatele obținute sunt prezentate icircn tabelul 21

Tabel 21 Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

2XkmoliH S kmoliMEA 2H Sp bar

2H S my p p

2

Y y (l y)

kmoliH S kmolabur

X0=005 34 10 330770 10 3

BY 308 10

01 215 10 21154 10 21167 10

02 275 10 25770 10 26123 10

03 121 10 11615 10 11926 10

04 15 10 13846 10 16250 10

05 17 10 15385 10 1167

Xn=06 195 10 17308 10 2715

Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor icircn contracurent

la extremităţile coloanei si anume punctul A (Xn Yf) şi punctul B (X1 Yb) Concentraţia Yf se

calculează cu relaţia (211)

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 25: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

25

R

RSH

fL

GY 2 (211)

f 2

33558Y 0333 kmol H S kmol abur

100674

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0 = 005

kmoliH2SkmoliMEA Se obține Yb = 000308 kmoliH2Skmoli abur

Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul II din figura 2

0B0

B1 XY

L

VX (212)

Concentraţia X1 se calculează cu relația (212)

1 2

245207X 000308 005 00624kmolH S kmolMEA

610153

Calculul lor se face cu ecuația dreptei de operare (213) dacircnd valorile lui X icircntre X1 și Xn

01 B

LY (X X ) Y

V (213)

Icircn relația (213) se va ține seama că icircn zona de stripare debitul de vapori scade liniar icircntre

BV și 0V S-a reprezentat ghrafic icircn anexa 3 variația liniară a debitului de vapori cu

concentrația X icircntre punctele de coordonate A (06100674) și B (00624 245207)

Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse icircntre X1 și

Xn și se introduc icircn ecuația dreptei de operare Rezultatele sunt prerzentate icircn tabelul 22

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 26: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

26

Tabel 22 Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie

X

kmol H2S kmol MEA b1V

LYXXY 0

kmol H2S kmol abur

V(grafic hr millimetrica)

X1=00624 3

BY 308 10 245207

01 21314 10 234

02 24464 10 207

03 28499 10 181

04 11390 10 1545

05 12150 10 127

Xn=06 1

fY 333 10 100674

Se reprezintă icircn acelaşi grafic icircn coordonate Y-X atacirct curba de echilibru cacirct şi curba

de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A Numărul de

orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă şi s-au obţinut 8 talere

teoretice (vezi graficul din Anexa 2)

23 Dimensionarea coloanei de desorbţie

231 Diametrul coloanei de desorbţie

Coloana de desorbţie este echipată tot cu talere cu supape de acelaşi tip ca la coloana de

absorbţie

Calculul diametrului se face atacirct icircn zona superioară cacirct şi icircn cea inferioară a coloanei de

desorbţie conform metodologiei Glitsch

Calculul diametrului icircn zona superioară

Sarcina maximă de vapori icircn zona superioară este

Rmax 0 H S2

V V G 100674 33558 134232kmoli h

Debitul maxim de lichid este

max RL L 100674 18 1812132kg h apă

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 27: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

27

Masa molară medie a vaporilor de la vacircrful coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia

v H S f abur f2M M y M 1 y (214)

unde

ff

f

y 0333y 025

1 y 1 0333

fracţii molare H2S

VM 34025+18(1-025)=22 kgkmol

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia

vv

v

v

P M 12 220860

R T 0083 273 97

kg m

3

Debitul masic de vapori este

VG maxV V M 134232 22 2953104 kg h

Aplicacircnd legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori

max

134232 22V 0954

0860 3600

m

3 s

Densitatea soluţiei de absorbant este ρl = 975 kg m3 şi s-a citit din grafice din literatură la

temperatura Tf

Debitul maxim de vapori corectat se calculează cu relaţia (215)

05

vc

l v

V V

(215)

05

c

0860V 0954 00283

975 0860

m

3s

Debitul maxim de lichid la vacircrful coloanei este

nmax os

L L 26090139 kg h soluţie absorbant bogat

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat

26090139L 0446

60 975

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv=0860 kgm3 şi s=06 m şi se obţine CAF=04

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 28: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

28

Se aplică următoarele relaţii

LB 005575

NP FI FS CAF

(216)

c

d

328VLC

30v FI FS CAF

(217)

05

2

c

B B 314CD

1571

(218)

unde NP=1 FIcirc=055 FS=07 vd= 005 ms CAF = 04

0446B 005575 0161

1 055 07 04

0446 328 00283C 0900

30 005 055 07 04

05

20161 0161 314 0900D 1586

1571

m

Calculul diametrului icircn zona inferioară

Sarcina maximă de vapori este

max BV V 245207kmol h 18 4413726 kgh

Debitul maxim de lichid este

1max os

L L 2494916 kgh soluţie absorbant sărac

Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază consideracircnd că

vaporii sunt alcătuiţi numai din abur ρv = 0965 kgm3

Se calculează debitul volumic de vapori

max

4413726V 1271

0965 3600

m

3s

Densitatea soluţiei de MEA 15 masă la temperatura de TB sbquo 1150C este

l 9404 kgm3

Se calculează debitul maxim de vapori corectat cu relaţia (215)

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 29: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

29

05

c

0965V 1271 00407

9404 0965

m

3s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant

2494916L 0442

9404 60

m

3 min

Din grafice din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 0965 kgm3 şi s= 06m şi se obţine

CAF = 041

Se aplică relaţiile 216217218

0442B 005575 0156

1 055 07 041

0442 328 00407C 1140

30 005 055 07 041

05

20156 0156 314 1140Dc 1752

1571

m

Deoarece diferenţa icircntre diametrul zonei superioare şi cel al zonei inferioare nu este mai

mare de 02 m icircntreaga coloană se construieşte cu diametrul zonei inferioare

232 Icircnălţimea coloanei de desorbţie

Icircnălţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (219)

c TR v bI N 1 s I I (219)

Eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25 Numărul real de talere din coloană se

calculează cu relaţia

TTTR

m

N 8N 32

E 025 talere reale

cI 32 1 06 1 15 211 m

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 30: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

30

24 Determinarea necesarului de agenți termici din instalație

241 Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat

Deoarece absorbantul sărac iese din refierbătorul de la baza coloanei de fracționare ca

lichid la punct de fierbere cu temperatura Tb= 1150C şi trebuie să intre pe la vacircrful coloanei de

absorbţie cu temperatura T0=300C se impune ca acest flux termic să fie valorificat pentru a

realiza schimbul de căldură cu absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu

temperatura Tn = 500C şi care trebuie să intre ca flux de alimentare icircn coloana de stripare la

temperatura de Tf = 800C

Temperatura Tx cu care iese absorbantul sărac din schimbul de căldură se şi apoi se

verifică prin bilanţ termic icircn jurul schimbătorului de căldură 3 din schema din anexa 4

T T Tn nb n xo 0 0 LL L Ls n 0o n 0ss s00

L h L h L h L h (220)

Deoarece icircn literatură nu există date de entalpii pentru soluţiile de amine ci numai date

de călduri specifice putem scrie următoarele relaţii

TTb x0 L 0 p b xLs 0 s0s Ls 0

L h h L c T T (221)

T Tn nf n0 0 p f nL LS 0 n Ln 0 0

L h h L c T T

(222)

Ținacircnd cont de relațiile (221) și (222) relația(220) se poate scrie

n0 p f n 0 p b xsL L0 0

L c T T L c T T (223)

unde 0sL - debitul soluţiei de absorbant sărac kgh

n0L - debitul de absorbant bogat kgh

pL0

c - căldura specifică medie a soluţiei de absorbant bogat respectiv sărac kJkg

0C se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie a temperaturilor respective

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de căldură se presupune ca fiind

0

XT 85 C și se verifică cu relația (223)

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 31: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

31

026090139 395 (80 50) 2494916 41(115 Tx) Tx 84776 C

Temperatura 0

XT 85 C presupusă s-a verificat deoarece relația (223) s-a verificat icircn

limita unei erori impuse (lt2)

242 Determinarea necesarului de apă de răcire la răcitorul suplimentar

Conform schemei tehnologice icircn instalaţie există un răcitor suplimentar al fluxului de

absorbant sărac cu rolul de a răci absorbantul sărac de la temperatura Tx la temperatura T0

Pentru calculul debitului de apă de răcire la răcitorul suplimentar se scrie relația (224) de

bilanț termic icircn jurul schimbătorului de căldură 2 din schema din Anexa 4

TT TT 0x eiapa apa 0 apa apa 0L Ls0 0s s

G h L h G h L h (224)

Din relaţia (224) se obține că

0 p x 0s L0apa T Te i

apa apa

L c T T

Gh h

(225)

unde T Te iapa apah h reprezintă entalpiile apei de răcire la temperatura de intrare respectiv de ieşire

icircn kJkg

Gapa ndash reprezintă debitul de apă de răcire kgh

pL0

c - reprezintă căldura specifică medie a soluţiei de absorbant sărac hJkg0C

Se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor

respective

0575 Cp

L0

c 399 kJkg0C

Consideracircnd că apa intră cu temperatura de 280C şi iese cu 40

0C necesarul de apă de

răcire la răcitorul suplimentar se calculează cu relația (225)

apa

2494916 399 85 30G 109152575

1675 11734

kgh

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 32: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

32

243 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbător

Cunoscacircnd sarcina refierbătorului coloanei de stripare se poate calcula și debitul de abur

la refierbător GB

BB T Ti e

apaabur

QG

H h

(226)

unde T Ti e

apaaburH h - reprezintă entalpia aburului apei la intrarea ieşirea icircn refierbător kJkg

care se citeşte din tabele din literatură

Consideracircnd că se foloseşte abur de 6 bar şi temperatura de 1600C debitul de abur la

refierbător GB se calculează cu relația (226)

B

1013066045G 4872618

27533 6742

kgh

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 33: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

33

3 AUTOMATIZAREA INSTALAŢIEI DE ELIMINARE A

HIDROGENULUI SULFURAT

Prin automatizarea instalaţiei de eliminare a H2S prin absorbţie icircn soluţie apoasă de MEA

icircn cadrul acestui proiect se icircnţelege

- implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe cele două coloane

o presiune la coloana de absorbţie

o presiune şi temperatură la coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a debitelor

o fluxului de gaz bogat la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant sărac la intrarea icircn coloana de absorbţie

o fluxului de absorbant bogat la intrarea icircn coloana de desorbţie

- implementarea structurilor de reglare a nivelului

o la baza coloanei de absorbţie

o la baza coloanei de desorbţie

o icircn vasul de reflux

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 34: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

34

BIBLIOGRAFIE

1 PROII Reference Manual

2 Marinoiu V Paraschiv N Automatizarea proceselor chimice vol 2 Editura Tehnică

1992

3 Reid RC Prausnitz JMPolingB The Properties of Gases and Liquids vol2

4 Robu V I Procese şi Aparate de Separare icircn Industria Petrolului şi Petrochimie Editura

Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1968 pg 398

5 Şomoghi V şa Proprietăţi fizice utilizate icircn calcule termice şi fluidodinamice UPG

Ploieşti 1997

6 Strătulă C Fracţionarea Principii şi Metode de Calcul Ed Tehnică Bucureşti 1986

7 Strătulă C Purificarea gazelor Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică Bucureşti

1984pg83131141143-148158161175-177179192255-258321-

327442451-452447-448

8 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol3 editura Tehnică

Bucureşti 1987 pg163

9 Suciu G C (coordonator) Ingineria prelucrării hidrocarburilor vol1 editura Tehnică

Bucureşti 1977

10 Taran C Strătulă C Procedee difuzionale de separare vol 12 IPG Ploieşti 1979

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 35: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

35

Anexe

Anexa 1 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de absorbţie a H2S icircn soluţii apoase de MEA

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 36: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

36

Anexa 2 Determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică pentru coloana

de desorbţie a H2S din soluţii apoase de MEA

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 37: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

37

Anexa 3 Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 38: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

38

Anexa 4 Schema tehnologică de eliminare a H2S

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 39: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

39

Anexa 5 Schema automatizată a instalaţiei de eliminare a H2S

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant

Page 40: 04 - Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie si coloanei de desorbtie.pdf

40

Anexa 6 Schema tehnologica a instalatiei clasice de eliminare a gazelor acide prin

absorbtie in solutii apoase se amine

1-coloana de absorbtie

2-racitor

3-schimbator de caldura intre solutia bogata si solutia saraca de amina

4-coloana de desorbtie

5-refierbator

6-condensator

7-vas de reflux

8-vas de completare cu absorbant