UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURETIFACULTATEA DE CHIMIE
APLICAT I TIINA MATERIALELOR SPECIALIZAREA: INGINERIA MEDIULUI
Dimensionarea unui schimbtor de cldur
Student: Boboc Ovidiu MariusGrupa IM, an III
Tem de proiect
S se dimensioneze un schimbtor de cldur i coloana de absorie
dintr-o instalaie de sechestrare a CO2 din gazele obinute din
arderea unui gaz de sondComponena gazelor de ardere dup eliminarea
vaporilor de ardere: CO2: 12.9% H2 : 85,9% O2 : 2.01 %Se consider
ca date de proiectare
Debitul volumetric de gaze de ardere GVG=1000+10*n Temperatura
gazelor de ardere la ieirea din schimbtor ( min 15oC-max 30oC )
Temperatura gazelor de ardere n instalaie TGi= 60-n oC Temperatura
gazelor de ardere la ieirea din instalaie TGe= 25 oC Temperatura
apei la intrare n instalaie TAi=15 oC Temperatura apei la ieire n
instalaie TAe= 30 oC Ca agent de rcire se folosete apa n=3
Absoria CO2 are loc ntr-o coloan de absorie cu talere tip sit la
presiune de 1 atm i temperatur = 25oC ntr-o soluie diluat de
trietanolamin. Soluia de trietanolamin este liber de CO2la intrarea
n coloan. Debitul de lichid utilizat n coloan este L=( 1,2 +
0,02*n)*Lmin. Randamentul de aborie este de = 98,005*n
Captarea CO2 din cazul de fa i n alte cazuri
Arderea combustibililor fosili elibereaz n atmosfer cantiti
impresionante de gaze cu efect de ser, dintre care cel mai
important este dioxidul de carbon. Cresterea continua a
concentraiei de CO2 in atmosfera duce la amplificarea efectului de
sera, i deci are loc incalzirea globala a planetei. Datele
statistice arata ca din 1870 pana in 1989 concentratia globala de
CO2 a crescut de la 290 ppm pana 350 ppm, adica o crestere de 20%.
In 2002, sectorul energetic a "contribuit" cu cea mai mare cota de
CO2 emis vreodat, peste 9 miliarde tone.Pe langa emisii de CO2, in
urma arderii combustibililor fosili, in atmosfera sunt evacuate
cantitati uriase de oxizi de sulf, oxizi de azot, hidrocarburi i
pulberi.O alternativa la energie conventionala ar fi utilizarea si
dezvoltarea surselor regenerabile de energie, dintre care biomasa
probabil va reprezenta cea mai important surs de energie. Una din
metodele de separare a dioxidului de carbon din gazele de ardere
foloseste alcanolaminele. Cea mai utilizata solutie este
monoetanolamina, dar mai sunt utilizate si aminele secundare,
tertiare sau un amestec dintre ele. Gazele de ardere inainte de a
fi introduse in coloana de absorbtie trec prin mai multe etape de
tratare si epurare. Mai intai, gazele arse sunt desprafuite apoi
sunt trecute printr-un sistem de racire, unde gazele sunt racite
pana la temperaturi necesare procesului de desulfurare.
Desulfurarea gazelor are loc intr-un scruber unde oxizii de sulf
sunt retinute. SO2 reactioneaza cu solutia amina formand un compus
din care amina nu se mai regenereaza. Reducerea continutul de sulf
in gazele de ardere, inainte de absorber, micsoreaza riscul
degradarii rapide a solutiei amine in timpul procesului de
absorbtie.Gazele desulfurate sunt introduse prin parte inferioara a
absorberului. Solutia MEA este injectata prin niste duze, instalate
in parte superioara a coloanei. Contactul intre cele doua faze are
loc in contracurent, circuland printr-un strat de umplutura format
din inele Raschig. Reactia intre CO2 si MEA este reversibila. La
temperaturi joase are loc absorbtia de CO2 de amina, in schimb cand
este incalzita ea elibereaz cea mai mare parte de CO2. Astfel, din
absorber, absorbantul bogat in CO2 este introdus intr-un schimbator
de caldura. Aici, in contracurent solutia este incalzita de gazele
de ardere fierbinti pana la temperaturi necesare separarii MEA de
CO2. Absorbantul sarac este apoi recirculat in absorber.Prezenta
altor emisii in gazele de ardere afecteaza procesul de absorbtie si
duc la degradarea solventului utilizat. Este nevoie de a micsora
concentratia lor pentru o mai buna eficienta a procesului de
absorbtieCaptarea de CO2 se poate aplica i surselor punctiforme
mari, cum ar fi sursele mari de combustibili fosili sau instalaiile
de energie din biomas, industriile cu emisii majore de CO2,
industrii de prelucrare a gazelor naturale, uzine cu combustibil de
sintez i de uzine de producere a hidrogenului pe baz de
combustibili fosili. n general exist trei tipuri diferite de
tehnologii: post-combustie, pre-combustie, i arderea
combustibilului pe baz de oxigen. (Oxyfuel). n post-combustie,
emisiile de CO2sunt eliminate dup arderea combustibililor fosili
acest sistem s-ar aplica la centralele electrice convenionale.
Aici, dioxidul de carbon este captat din gazele de ardere la
centralele electrice. Tehnologia este bine cunoscut i utilizat n
prezent la alte aplicaii industriale. Tehnologia pre-combustie este
aplicat pe scar larg la producerea de ngrminte, combustibil chimic,
gazos (H2, CH4), precum i la producerea energiei. n aceste situaii,
combustibilul fosil este parial oxidat, de exemplu, ntr-un
gazificator. Gazul de sintez care rezult (CO i H2) este transformat
n CO2 i mai mult H2. CO2 rezultat poate fi captat dintr-un flux de
evacuare relativ pur. H2 poate fi acum utilizat drept combustibil;
carbonul este ndeprtat nainte ca arderea s aib loc. n
oxy-combustie, combustibilul este ars n oxigen n loc de aer. Pentru
a limita temperaturile flacrii rezultate la nivelurile obinuite din
timpul combustiei convenionale, gazul de ardere rcit este
recirculat i injectat n camera de ardere. Gazul de ardere const n
principal din dioxid de carbon i vapori de ap, acesta din urm fiind
condensat prin rcire. Rezultatul este un flux de dioxid de carbon
aproape pur, care poate fi transportat la locul de sechestrare i
depozitat. Procesele uzinale bazate pe arderea Oxycombustibilului
sunt uneori denumite cicluri "cu emisii zero", pentru c CO2
depozitat nu este o fraciune scoas din fluxul de gaze de ardere (ca
n cazurile capturii de ardere pre- i post-combustie), ci provine
din nsusi fluxul de gaz. Trebuie remarcat, totui, ca o anumit
fraciune de CO2 generat n timpul combustiei va sfri n mod
inevitabil n apa condensat. Pentru a justifica eticheta "cu emisii
zero", apa ar trebui s fie tratat sau eliminat corespunzator.
Tehnica este promitoare, dar pasul iniial de separare a aerului
necesit o cantitate mare de energie.
Dimensionarea schimbtorului de cldur
Proprieti fizice ale componenilor
tCs (kcal/kg K)Cs (kcal/kg K)Cs (kcal/kg K)
CO2O2N2
00.1950.2190.248
1000.2180.2230.249
2000.2370.230.251
3000.2520.2380.255
4000.2650.2450.261
0.22820.18170.25084
Cldura specific a componenilor gazoi
Dependena de temperatur a cldurii specifice
t (cP) (cP) (cP)
CO2O2N2
00.01380.01920.0166
1000.01840.02440.0208
2000.02260.0290.0246
3000.02640.03310.028
4000.02990.03690.0311
0.020120.025620.02292
Vscozitatea componenilor gazoi
Dependena de temperatur a vscozitii
t (Kcal/m h K) (Kcal/m h K) (Kcal/m h K)
CO2O2N2
00.01260.02120.0209
1000.01960.02830.0271
2000.02660.0350.0331
3000.03360.04130.0386
4000.04060.04730.0436
0.022960.031960.03018
Conductivitatea termic a compuilor gazoi
Dependena de temperatur a conductivitii termice
Proprieti fizice medii ale amestecului gazos
Relaiile de calcul ale cldurii specifice, vscozitii i
conductivitii termice medii ale amestecului n funcie de compoziia
acestuia i valorile corespunzatoare ale acelorai proprieti ale
componenilor, calculate fiecare la temperatura medie aritmetic a
amestecului gazos n schimbatorul de caldura. Cldura specific a unui
amestec gazos se calculeaz cu relaia : cs,g = unde: cs,g = cldura
specific a amestecului gazos la temperatura medie din schimbtor, se
exprim n J/kg*K csi = cldura specific a componentului i la
temperatura medie din schimbator, se exprima n J/kg*Ki = fracia
masic a componentului i n amestec
Pentru calculul cs,g trebuie ca=lculat inainte i i cs,g Fracia
masic a componentului i n amestec se calculeaz cu relaia i = == yi
unde:
mi = masa componentului i din amestec exprimat n kgmam = masa
amestecului de gaze eprimat n kgMi = masa molar a componentului i
din amestec exprimat n kg/kmolMam = masa molar a amestecului de
gaze eprimat n kg/kmolyi = fracia molar a componentului i din
amestec Pentru calculul i trebuie s calculm yi i Mam Fracia molar a
componentului i din amestec se calculeaz cu relaia yi =
Fraciile volumetrice sunt egale cu fraciile molare pentru gaze i
vaporiCompoziia gazelor de ardere n procente de volum: CO2: 12.9%
H2 : 85,9% O2 : 2.01 %
yCO2 == 0,129yO2 == 0,0201yH2 == 0,859
Masa molecular a amestecului de gaze se calculeaz cu relaia Mam
= unde : yi= fracia molar a componentului i din amestecMi = masa
molar a componentului i din amestec exprimat n kg/kmol
