-
1
Introducere
Proiectarea tehnologic se refer la determinarea numrului de
talere teoretice necesare absorbiei i respectiv desorbiei
dioxidului de carbon, la calculul diametrelor i nlimilor coloanelor
1 i 4 din figura 1.1. n final se estimeaz necesarul de ageni
termici pentru aparatele de schimb de cldur din instalaie.
Figura 1.1: Schema tehnologic a procedeului clasic Girbotol
1 absorber; 2 rcitor suplimentar; 3 schimbtor de cldur ntre
soluia bogat i srac de amin; 4 regenerator; 5 refierbtor; 6
condensator; 7 vas de reflux 8 vas de completare cu absorbant.
-
2
1. Proiectarea tehnologic a coloanei de absorbie
Operaia de absorbie are rolul de a elimina din fluxul de metan
impurificat, dioxid de carbon, folosind ca absorbant soluie apoas
de DEA 20% mas.
Fluxurile din coloana de absorbie i concentraiile lor sunt cele
prezentate n figura 1.2:
Figura 1.2: Fluxurile i simbolurile mrimilor specifice coloanei
de absorbie
Semnificaia simbolurilor: G0 - debitul de gaz purttor (metan),
kmol/h; L0 debitul de absorbant (DEA), kmol/h; Yn+1,Y1
concentraiile solutului (CO2) n metan, kmol solut/ kmol g.p. la
intrarea/ieirea din coloan; X0, Xn - concentraiile solutului
(CO2) n absorbant, kmol solut/ kmol absorbant
la intrarea/ieirea din coloan; Tn+1, T1 temperatura fluxului de
metan la intrarea/ ieirea din coloan; T0, Tn temperatura fluxului
de absorbant la intrarea/ ieirea din coloan.
Datele iniiale necesare calculului de proiectare a coloanei de
absorbie sunt:
debitul de alimentare cu gaz impurificat, precum i concentraia
solutului. Deoarece gazul impurificat este un amestec de
hidrocarburi, este necesar specificarea
-
3
compoziiei acestuia. n unele cazuri, se poate asimila amestecul
de hidrocarburi care alctuiesc gazul purtator, cu o singur
hidrocarbur;
gradul de absorbie sau concentraia solutului n gazul purificat;
tipul absorbantului i concentraia aminei n soluie; concentraia
solutului (CO2) n absorbantul srac, X0; temperatura de intrare a
gazului impurificat: Tn+1, respectiv a absorbantului
srac (dup rcitorul suplimentar 2 din figura 1.1): T0; presiunea
de lucru n coloana de absorbie.
1.1. Calculul debitelor i concentraiilor fluxurilor din coloana
de absorbie Din datele de intrare se calculeaz debitul molar de gaz
bogat:
zih24
kmolNm4,22
)zi
Nm(GG 3
3
T
T
= (1.1)
kmoli/h 024.372244,22
200000T =
=G
Cunoscnd concentraia dioxidului de carbon n gazul bogat,
respectiv a gazului purttor (metanul) se calculeaz debitul molar de
CO2, respectiv de metan:
= (1.2) = 372.024 0.06 = 22.3 kmoli/h
G0 = GT yCH4 (1.3) G0 = 372.024 0.94 = 349.7 kmoli/h
Se calculeaz raportul molar Yn+1:
1
11 1 +
++
=
n
n
n yy
Y (1.4)
Yn+1 =
.
. = 0.0638 kmoli CO2/kmoli gaz purttor sau
Yn+1 =
= .
. = 0.0638 kmoliCO2/ kmoli gaz purttor
Din relaia de definiie a gradului de absorbie se calculeaz
raportul molar Y1:
-
4
111
11 )1( ++
+=
= n
n
n YYY
YY
(1.5)
Y1 = (1-0.98) 0.0638 = 0.00128 kmoli CO2/ kmoli gaz purttor
Cunoscnd concentraia CO2 n absorbantul srac se calculeaz debitul
molar de CO2 la ieire din coloana de absorbie:
= G0 Y1 (1.6) = 349.7 0.00128 = 0.448 kmoli/h
Concentraia CO2 n absorbantul srac se cunoate din datele de
proiectare X0=0,03 kmoli CO2/kmol DEA, iar concentraia Xn se alege
astfel nct la determinarea numrului de talere teoretice prin metoda
grafic s rezulte un numr rezonabil de talere (Anexa 1).
Xn=0,5 kmol CO2/kmol DEA
Debitul molar de absorbant L0 se calculeaz prin bilan material n
jurul coloanei de absorbie pe conturul 1 din figura 1.2.
nn XLYGXLYG 0100010 +=+ + (1.7)
kg/h113.891414.051kmol/h 52.4603,05,000128.00638.07.349
0
1100 ==
=
=+
XXYYGL
n
n
1.2. Debitele pariale n fluxul de gaz bogat la intrarea n
coloan:
G0 = 349.7 16 = 5595.2 kg/h = 22.3 1 44 = 981.2 kg/h CO2 GT = G0
+ = 5595.2 + 981.2 = 6576.4 kg/h gaz bogat (1.8)
1.3. Debitele pariale i concentraiile n fluxul de gaz srac la
ieirea din coloan:
G0 = 349.7 16 = 5595.2 kg/h = G0 Y1 = 349.7 0.00128 = 0.448
kmoli/h (1.9) = 0.448 44 = 19.7 kg/h CO2 neabsorbit G1 = G0 + =
349.7 + 0.448 = 350.15 kmoli/h gaz srac (1.10) G1 = 5595.2 + 19.7 =
5614.9 kg/h gaz srac
-
5
xDEA =
.
.
= 0.0410 fr. molare DEA
xapa = 1- xDEA = 1 0.0410 = 0.959 fr. molare apa (1.11)
1.4. Debitele pariale n absorbantul srac la intrarea n
coloan:
L0 = 46.52 105.14 = 4891.113 kg/h DEA
Cunoscnd concentraia soluiei de amin (20% masa) se poate calcula
debitul de soluie apoas de DEA:
L0s = 4891.113
= 24455.6 kg/h soluie DEA
Soluia apoas de DEA este alctuit din: 4891.113 kg/h DEA i:
24455.6 4891.113 = 19564.5 kg/h ap
= L0 X0 = 46.52 0.03 = 1.39 kmoli/h CO2 (1.12) = 1.39 44 = 61.41
kg/h CO2 = L0 + = 46.52 + 61.41 = 107.93 kmoli/h absorbant srac =
24455.6 + 61.41 = 24517.01 kg/h soluie absorbant srac
1.5. Debitele pariale n absorbantul bogat la ieirea din
coloan:
L0 = 4891.113 kg/h DEA = L0 Xn = 46.52 0.5 = 23.26 kmoli/h CO2
(1.13) = 23.26 44 = 1023.44 kg/h CO2 = L0 + = 46.52 + 1023.44 =
1069.96 kmoli/h (1.14) = 24455.6 + 1023.44 = 25479.04 kg/h soluie
absorbant bogat
1.6. Bilanul termic pe coloana de absorbie.
T1 = T0 + 5...10 (1.15) Tn = Tn+1 + 10...30 (1.16)
T1 = 30 + 5 = 35 Tn = 25 + 15 = 40
-
6
G0 = 349.7 16 = 5595.6 kg/h L0s = 24455.6 kg/h soluie DEA = G0
(Yn+1 Y1) = 349.7 (0.0638 0.00128) = 21.86 kmoli/h 44 = 961.84 kg/h
CO2 reacionat
n scopul verificrii temperaturii Tn din baza coloanei de
absorbie, se efectueaz bilanul termic pe conturul I din figura 1.2,
conform urmtoarei relaii:
0221
22
1
0
0
0
1
22
1
0 011
0011n
0G LT
sCOCORT
COCOTG
TLs
TCO
n
COTG
nnn hLhGHGHGhLHGH +++=++ ++ ++ (1.17)
G0n+1,G01 debitul de gaz purttor la intrarea/ieirea din coloan,
kg/h; 1
0
1n
0
TG
TG H,H + entalpia n faz vapori a gazului purttor la temperatura
Tn+1,
respectiv T1, kJ/kg 22
COR1
CO G,G debitul de CO2 la intrarea/ieirea din coloan,kg/h;
1
2
1n
2
TCO
T,CO HH + entalpia n faz vapori a CO2 la temperatura Tn+1,
respectiv T1,
kJ/kg; s0L debitul soluiei de absorbant srac, kg/h; 0
0
TLh , n0
TLh entalpia n faz lichid a absorbantului la temperatura T0,
respectiv
Tn; RCOG 2 debitul de CO2 absorbit, kg/h; nT
COh 2 entalpia n faz lichid a CO2 absorbit la temperatura
Tn.
Considernd c att gazul purttor, ct i soluia de absorbant srac au
aceeai compoziie la intrarea i ieirea din coloan, se poate
scrie:
( ) ( )1n1p0TGTG0 TTcGHHG 0G1n010 += + (1.18)
( ) ( )0nps0TLTLs0 TTcLhhL 0L00n0 =+ (1.19) 0Gp
c cldura specific medie izobar a gazului purttor, kJ/kgC, care
se
calculeaz cu relaii din literatur;
0Lpc cldura specific medie a soluie da absorbant srac, kJ/kgC,
care se
citete din grafice de literatur.
De asemenea, innd seama de cldura de reacie HR i de faptul c
debitul de absorbant la ieirea din coloan este foarte mic i se
poate neglija, ecuaia de bilan material se reduce la forma:
-
7
( ) ( )0nps01n1p0RR 2CO TTcLTTcGHG 0l0G = + (1.20)
Se obine astfel:
( )0L
0G0L
ps0
1n1p00ps0RR
2CObn
cL
TTcGTcLHGTT
++== (1.21)
32Tp TDTCTBAc +++= (1.22)
A, B, C, D - constantele specifice gazului purttor (metanul)
care sunt tabelate n literatur.
CTTT nm011 30
22535
2=
+=
+=
+ (1.23)
A = 1.80395102
B = 5.93510 C = -2.31205 10-3
D = 2.9043610-7
!"# = 1.80395 102 + 5.93510 303 + (-2.31205) 10-3 3032 + +
2.90436 10-7 3033 = 1774.5 J/kg K = 1.7745 kJ/kg K
Cldura specific medie a soluiei de absorbant 0lpc se citete din
grafice din
literatur la temperatura medie aritmetic ntre T0 i Tn, n
kJ/kgC:
80.30
=Lp
c kJ/kgC. (Anexa 2)
HR =1190 kJ/kg se citete din tabele din literatur .
Tn = Tb = .$&&..$
&&&..&(&&)
&&..$ = 41.25
Valoarea temperaturii n baza coloanei de absorbie obinut cu
aceast relaie este n bun concordan cu valoarea presupus Tn = 40C i
deci calculul temperaturii Tn se consider ncheiat.
Se calculeaz temperatura medie pe coloan ca media aritmetic ntre
T1 si Tn:
Tm = * *+
= &.&
= 38.13
-
8
1.7. Determinarea numrului de talere teoretice din coloana de
absorbie. Numrul de talere teoretice se determin prin metoda grafic
simplificat i se
parcurg urmatoarele etape: la temperatura medie pe coloan i
pentru valori de X cuprinse intre X0 i Xn
se citesc din grafice de literatur valorile presiunii pariale
CO2; din legea lui Dalton:
psolut = Pv yabur = ,-"-. (1.24)
se calculeaz fraciile molare ale CO2 care se transform apoi n
rapoarte molare Y, cu relaia (1.4);
curba de echilibru X-Y se reprezint n grafic semilogaritmic; din
calculele anterioare se fixeaz coordonatele punctelor prin care
trece
dreapta de operare: A(0.03; 0.00128) i B (Xn; 0.0638). Abscisa
punctlui B (Xn) se alege
prin ncercri succesive astfel nct s se obin 2-3 talere
teoretice. Se alege Xn = 0.5 kmoli CO2/kmol DEA;
pentru reprezentarea dreptei de operare n grafic semilogaritmic
sunt necesare i alte puncte intermediare n afara punctelor extreme
A i B. n ecuaia dreptei de operare (1.25) se dau valori lui X ntre
X0 i Xn i se calculeaz valorile lui Y. Rezultatele sunt trecute in
tabelul 1.1 :
Y = / ( X Xn) + Yn+1 (1.25)
X,01234 5671234 89: Y,01234 5601234
-
9
X, 01234 >201234 89: 0.03 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
PCO2, bar 910-6 210-4 1.710-3 7.510-3 2.510-2 8.510-2
yCO2 = =
= 1.510-6 3.3310-5 2.8310-4 1.2510-3 4.1710-3 1.4210-2
YCO2 = ?
? 1.510-6 3.3310-5 2.8310-4 1.2510-3 4.1710-3 1.4210-2
Tabelul 1.2: Calculul curbei de echilibru pentru coloana de
absorbie a CO2 n soluii de DEA 20% mas
se reprezint n acelai grafic, n coordonate Y-X, att curba de
echilibru ct i curba de operare i se duc orizontalele i verticalele
pornind de la punctul B la punctul A. Numrul de orizontale
reprezint necesarul de echilibre pentru absorbia respectiv. S-au
obinut 1.5 talere (Anexa 1).
1.8. Dimensionarea coloanei de absorbie Coloana de absorbie este
echipat cu talere cu supape, iar calculul diametrului
se face conform metodologiei Glitsch, cu relatiile (1.26 1.28)
aplicate n condiiile de regim i debite din baza coloanei de
absorbie.
DC = @A @ .>B
.& , m (1.26)
B = 0.05575 /CDEFEG5:E (1.27)
C = /HI .$ HJ
EFEG5:E (1.28)
Debitele implicate n relaiile (1.26 1.28) au fost calculate
anterior, i anume:
GT = 6576.4 kg/h gaz impurificat = 25479.04 kg/h soluie de
absorbant bogat
Masa molar medie a gazului bogat se calculeaz cu relaia
(1.29):
K.LMMMMM = MCO2 yn+1+ MCH4 (1 - yn+1) (1.29) K.LMMMMM = 44 0.06
+ 16(1-0.06) = 17.68 kg/kmol
Densitatea vaporilor se calculeaz cu relaia (1.30): N. OOOO= =
PQ
OOOOOR *ST
(1.30)
-
10
N. OOOO= .$.$(&) = 4.29kg/m3
Aplicnd legea general a gazelor se calculeaz debitul volumic de
vapori:
V = &..
= 0.426 m3/s
Densitatea soluiei de DEA 20% mas la ieirea din coloan se citete
din grafice, din literatur la temperatura din baz: Tn = 40 DEA =
1.015 kg/m3. Cu relaia (1.31) se calculeaz debitul maxim de vapori
corectat:
Vc = V V WXWYWX Z0.5
(1.31) Vc = 0.426 V .&.Z
0.5 = 0.0278 m3/s
Se calculeaz debitul volumic de soluie de absorbant:
L = &.& = 0.418 m3/min
Din grafice, din literatur se citete CAF pentru v = 4.29 kg/m3 i
s = 0.609m se obine CAF = 0.42.
Se aplic relaiile (1.26-1.28):
B =0.05575 .$... = 0.109
C = .$.& + .$.$
... = 0.704
Dc =
.(. ..) .
.& = 1.02m
Numrul real de talere din coloan se calculeaz cu relaia:
Nr = C[9\
(1.32) Nr =
.&
.& = 10 talere reale
IC =(NTR 1) s + IV + Ib (1.33) IC = (10 1) 0.6 + 1.5 + 1 = 7.9
m
-
11
1.9. Calculul pierderilor de absorbant La vrful coloanei de
absorbie au loc pierderi de absorbant datorit antrenrilor
de gaz inert. Aceste pierderi se calculeaz cu relaia (1.33).
Debitul molar de gaz purificat de la vrful coloanei de absorbie i
fraciile molare ale apei i DEA n absorbantul srac sunt calculate
anterior.
Constantele de echilibru ale apei i DEA n amestecul absorbant,
la temperatura i presiunea din vrful coloanei s-au citit din
grafice din literatur.
LP = Gl 7^_^J^`
7^_^J^` (1.34)
KDEA = 1.1261 10-2
Kap = 4.4546 10-7
LP = 350.15 .&ab.&. a.
.&ab.&. a. = 0.162
Lp ap = (0.162 + 350.15) 4.4546 10-7 = 1.496 10-4 fr. molare yap
= 4.4546 10-7 0.959 = 4.2719 10-7 fr. molare yDEA = 1.1261 10-2
0.0410 = 4.6170 10-4 fr. molare Lp ap = 1.496 10-4 18 = 2.7 10-3
kg/h Lp DEA = 350.15 4.670 10-4 = 0.162 kmoli/h Lp DEA = 0.162
105.14 = 17.03 kg/h
-
12
2. Proiectarea tehnologic a coloanei de desorbie
Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din
soluia de absorbant bogat ce alimenteaz coloana de desorbie, pentru
un debit de abur de stripare dat, necesit un numr de talere sau un
strat de umplutur de o anumit nlime. Calculul acestora se face n
funcie de numrul de talere teoretice. Se aplic pentru determina-
rea numrului de talere teoretice tot prin metoda simplificat, dar
datele de echilibru ale sistemului studiat se obin la temperaturi
medii mai mari, specifice operaiei de desorbie.
n practica industrial, striparea gazelor acide se face cu abur
indirect, folosind un refierbtor. Aburul de stripare care prasete
coloana pe la vrf se condenseaz i se rentoarce n coloan ca reflux.
n acest caz, fluxurile i concentraiile lor sunt cele simbolizate in
figura 2.1.
Figura 2.1: Fluxurile i concentraiile lor n coloana de
stripare
-
13
n figura 2.1 semnificaia simbolurilor este :
Lo- fluxul absorbant ,Kmol/h; LR - refluxul, concentrat n ap,
kmol/h; B- fluxul de baz,concentrat n ap care se recircula la
coloana de absorbie
kmol/h; Xn concentraia co2 n absorbantul bogat, kmol CO2 / kmol
MEA; Xo concentraia n absorbantul srac, kmol CO2/ kmol MEA; Yb-
concentraia CO2 , n abur la ieirea din refierbtor, kmol CO2/kmol
abur ; Yv- concentraia CO2 , n abur la ieirea din coloan, kmol CO2
/kmol abur.
Datele iniiale necesare calculului de proiectare a coloanei de
desorbie sunt: debitul de alimentare cu absorbant bogat i
concentraia solutului (CO2) n
absorbant Xn (de la coloana de absorbie); gradul de stripare sau
concentraia solutului n soluia stripat; concentraia solutului n
absorbantul srac, X0; temperatura n baza coloanei TB; temperatura
refluxului TR; temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat n
coloan, egal cu tempera-
tura de ieire dup schimbul de cldur cu absorbantul srac de la
baza coloanei de desorbie (figura 1.1, notatie 3);
raie de reflux; presiunea n vrful i la baza coloanei de
desorbie.
Algoritmul de calcul al coloanei de desorbie are urmtoarele
etape: a. se determin temperatura la vrful coloanei, se efectueaz
bilanul termic pe
coloan i se calculeaz debitul de vapori de stripare, precum i
consumul de abur la refierbtor;
b. se calculeaz temperatura medie pe coloana de desorbie i la
aceast temperatur se obin datele de echilibru pentru sistemul solut
absorbant;
c. se determin diametrul i nlimea coloanei cu metodologia
specific tipului de dispozitive de contactare (talere cu
supape).
-
14
2.1. Bilanul termic i regimul de temperaturi. Pentru
determinarea temperaturii la vrful coloanei de desorbie se pleac de
la
faptul c n condiii de echilibru, presiunea parial a aburului
(componentul majoritar la vrful coloanei) este egal cu presiunea de
vapori a apei. Presiunea pariala a solutului (pCO2) se obine din
legea lui Dalton :
psolut = Pv yabur = ,-"-. (1.24)
pv presiunea la vrful coloanei de desorbie, bar; yabur fracia
molar de abur calculat cu relaia (2.1):
yabur = /c
/cc (2.1)
yabur =&.&$
&.&$.$ = 0.75 fr. molare abur
LR debitul de reflux, calculat cu relaia (2.2)
LR = R GR (2.2) LR = 3 21.86 = 65.58 kmoli/h = 65.58 18 =
1180.44 kg/h ap
R raia de reflux; GR debitul de CO2 absorbit, kmoli/h; d-". -
presiunea de vapori a apei la temperatura de vrf.
PCO2 = 1.2 0.75 = 0.9 bar = 0.9 750 = 675 mm Hg = d-"-.
Temperatura la vrf se calculeaz cu relaia lui Antoine:
ln,-". = A - @
5 *f (2.3)
ln 675 = 18.3036 $..*g Tv = 97
Temperatura n baza coloanei TB se estimeaz conform literaturii,
(din datele de proiectare) TB=116 0C.
Temperatura refluxului TR se estimeaz conform literaturii (din
datele de proiectare) TR=60 0C.
Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat n coloan este
egal cu temperatura de ieire dup schimbul de cldur cu absorbantul
srac de la baza coloanei de desorbie, se estimeaz conform
indicaiilor din literatura.
Am presupus Tf =80C.
-
15
Temperatura medie pe coloan se calculeaz ca media aritmetic ntre
temperatura din vrf i temperatura din baz.
Tm= (TB+TV)/2 = (116+97)/2 = 106.5C
Presiunea medie se calculeaz ca medie aritmetic ntre presiunea
din vrf i presiunea din baz (din datele de proiectare).
Pm= (PB+PV)/2 = (1,2+1,6)/2 = 1,4 bar
Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbtorului, respectiv
consumul de abur VB se efectueaz un bilan termic pe coloana de
desorbie conform conturului din figura 2.1:
B
os
VV
o
R
R
ffos
TLs
TCO
RCO
TVB
TLR
TCO
RCO
TLs hLHGHVQhLhGhL ++=+++ 0220220 (2.4)
f
os
TLh - entalpia soluiei de absorbant la temperatura Tf ,
kJ/kg;
0V - debitul de vapori de ap de la vrful coloanei, kmol/h;
V
o
TVH - entalpia vaporilor de ap la temperatura TV, kJ/kg;
RL - debitul de reflux (ap), kmol/h (V0=LR);
R
R
TLh - entalpia refluxului la temperatura TR, kJ/kg;
B
os
TLh - entalpia soluiei de absorbant la temperatura din
refierbtor, kJ/kg.
Relaia (2.4) se poate scrie innd seama de cldurile
specifice:
)()(000 00 fBp
T
LTL TTcLhhL
SLS
f
S
B
SS=
(2.5)
Neglijnd diferena de temperaturi (TB - Tf) se poate scrie:
)( 2222 fV TCOTCORCORRCO hHGHG = (2.6)
innd cont de relaiile (2.62.7), relaia (2.5) devine:
RRCO
TL
TVfBpB HGhHVTTcLQ RRVSLS ++= 200 )()( 00 (2.7)
-
16
SLpc 0 =3.95 kJ/kg
0C
QB = 24455.63.95(116-80)+1180.44(2675-251.12)+961.841190= =
7483420.83 kJ/h
Debitele masice din relaia (2.7) s-au calculat anterior.
V
0
TVH - entalpia vaporilor de ap la temperatura TV=97C, s-a citit
din tabele din
literatur, kJ/kg; R
R
TLh - entalpia refluxului la temperatura TR=60C, s-a citit din
tabele din
literatur, kJ/kg;
S0Lpc -se citete din grafice din literatur n funcie de
temperatura medie
aritmetic ntre Tb i TR i concentraia soluiei de DEA; HR - se
citete din tabele din literatur.
Fracia molar a apei n vaporii VB la echilibru cu soluia apoas de
amin se determin astfel: pentru o soluie care conine 20% mas DEA i
80% mas ap se citete din grafice din literatur compoziia apei n faz
vapori.
)y1(lyll BBB T minaTapTV +=
BTapl cldura latent de vaporizare a apei la temperatura TB,
kJ/kg;
BTminal cldura latent de vaporizare a aminei la temperatura TB,
kJ/kg;
y fracia molar a apei n vaporii VB la echilibru cu soluia apoas
de amin.
( ) hkJl BTV /1.22187,4868,2704 ==
Cunoscnd sarcina refierbtorului se poate calcula debitul de
vapori VB:
BTV
BB l
QV = (2.8)
VB = $.$
$. = 3373.8 kg/h = 187.43 kmoli/h
-
17
2.2. Determinarea numrului de talere teoretice din coloana de
desorbie. Numrul de talere teoretice se determin prin metoda grafic
simplificat. Curba
de echilibru Y-X se calculeaz pornind de la valorile presiunii
pariale CO2 citite din grafice din literatur pentru diferite valori
de X i la temperatura medie pe coloana de desorbie
Tm=106.5C.Dreapta de operare trece prin punctele definite de
concentraiile fluxurilor n contracurent la extremitile coloanei i
anume punctul A (Xn, Yf) i punctul B (X1, Yb). Concentraia Yf se
calculeaz cu relaia (2.9):
R
RCO
LG 2
fY = (2.9)
Yf = .$&.&$ = 0.333 kmoli CO2/kmoli abur
Concentraia Yb se citete din curba de echilibru X-Y la valoarea
lui X0=0,03 kmol CO2/kmol DEA (Anexa 2) i se gsete Yb=0.00214 kmol
CO2 /kmol abur.
Concentraia X1 se stabilete prin bilan material pe conturul din
figura 2.1:
00
1 XYLV
X BB += (2.10)
X1 = $..& 0.00214 + 0.03 = 0.0386 kmoli CO2/kmoli DEA
Pentru reprezentarea curbei de operare sunt necesare i alte
puncte intermediare n afara punctelor extreme A i B. Calculul lor
se face cu ecuaia dreptei de operare (2.11) dnd valori lui X ntre
X1 i Xn .Rezultatele sunt prezentate n tabelul 2.1. n relaia (2.11)
se va ine seama c n zona de stripare debitul de vapori scade liniar
ntre VB i V0. S-a reprezentat grafic, n Anexa 3, variaia liniar a
debitului de vapori ale lui X. Din acest grafic se citesc valorile
lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse ntre X1 i Xn i se
introduc n ecuaia dreptei de operare.
Y = /H ( X X1) + YB (2.11) X, 01234 5601234 89: Y,
01234 5601234 hijk
X1 = 0.0386 YB = 2.14 10-3
0.1 1.8710-2
0.2 5.2910-2 0.3 1.0310-1
0.4 2.2810-1 Xn = 0.5 Yf = 3.3310-1
Tabelul 2.1: Calculul curbei de operare pentru coloana de
desorbie a CO2 din soluie de DEA 20% mas
-
18
Din graficul : Variaia debitului de abur de-a lungul coloanei de
desorbie a CO2 din soluii apoase de DEA 20% masa (Anexa 3) rezult
valorile:
0.1 V = 172 kmoli/h 0.2 V = 148 Kmoli/h 0.3 V = 120 kmoli/h 0.4
V = 95 kmoli/h
X, 01234 5601234 89: 0.03 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Pco2, bar 310-3 510-2 410-1 210 710 2.510 yCO2 2.1410-3 3.610-2
2.86-1 1.43 5 17.86
YCO2 = ?
?
2.1410-3 3.710-2 410-1 - - -
Tabel 2.1. Calculul curbei de echilibru pentru coloana de
desorbie
Se reprezint n acelai grafic, n coordonate Y-X, att curba de
echilibru ct i curba de operare i se duc orizontale i verticale
pornind de la punctul B la punctul A. Numrul de orizontale
reprezint necesarul de echilibre pentru desorbia respectiv i s-au
obinut 5 talere teoretice (Anexa 2).
2.3. Diametrul coloanei de desorbie. Calculul diametrului se
face conform metodologiei Glitsch, cu relaiile (1.26-1.28)
aplicate pe rnd la vrful i la baza coloanei de stripare.
2.3.1. Calculul diametrului n zona superioar. Sarcina maxim de
vapori este:
Vmax = V0 + (2.12) Vmax = 65.58 + 21.86 = 87.44 kmoli/h
Debitul maxim de lichid este:
Lmax = LR (2.13) Lmax = 65.5818 = 1180.44kg/h
Masa molar medie a vaporilor de la vrful coloanei de stripare se
calculeaz cu relaia (1.29):
K.LMMMMM = MCO2 yf+ Mabur (1 yf) (1.29)
-
19
K.LMMMMM = 44 0.25 + 18(1-0.25) = 24.5 kg/kmol
Densitatea vaporilor se calculeaz cu relaia (1.30):
N. OOOO= = PQOOOOO
R *ST (1.30)
N. OOOO= ..&.$() = 0.957kg/m3
Aplicnd legea general a gazelor se calculeaz debitul volumic de
vapori:
V = $..&.&
= 0.622 m3 /s
Densitatea soluiei de absorbant este: l = 992 kg/m3 i s-a citit
din grafice din literatur, la temperatura Tf.
Cu relaia (1.31) se calculeaz debitul maxim de vapori
corectat:
Vc = V V WXWYWX Z0.5
(1.31) Vc = 0.622 V .&.&Z
0.5 = 0.0193 m3/s
Se calculeaz debitul volumic de soluie de absorbant bogat:
L = &. = 0.428 m3/min
Din graficele de literatur se citete CAF pentru: = 0.957, s =
0.609 m i se obine: CAF = 0.42.
Se aplic relaiile (1.26-1.28):
B =0.05575 .$... = 0.111
C = .$.& + .$.
... = 0.580
Dc =
.(. ..&$) .
.& = 0.933 m
-
20
2.3.2. Calculul diametrului n zona inferioar. Sarcina maxim de
vapori este: Vmax = VB = 3373.8 kg/h. Debitul maxim de lichid este:
Lmax = L0s = 245170.01 kg/h soluie de absorbant
srac.
Densitatea vaporilor se citete din literatur la temperatura din
baz, considernd c vaporii sunt alctuii numai din abur: v = 0.965
kg/m3.
Se calculeaz debitul volumic de vapori:
Vmax = .$
.&
= 0.971 m3/s
Densitatea soluiei de DEA 20% mas la temperatura Tb = 116 este:
l = 970 kg/m3.
Cu relaia (1.31) se calculeaz debitul maxim de vapori
corectat:
Vc = 0.971 V .
.Z0.5
= 0.0307 m3/s
Se calculeaz debitul volumic de soluie de absorbant:
L = &. = 4.21 m3/min
Din grafice din literatura se citete CAF pentru v = 0.970 kg/m3
i s = 0.609m se obine: CAF = 0.41.
Se aplic relaiile (1.26-1.28):
B =0.05575 .... = 0.112
C = ..& + .$.
... = 0.761
Dc =
.(. ..) .
.& = 1.06 m
Deoarece diferena dintre diametrul calculat la vrful coloanei i
cel calculat la baz este mai mare de 0.2m, se construiete fiecare
zon din coloan cu diametrul respectiv.
nalimea coloanei de desorbie se calculeaz cu relaia (1.33), n
care eficaci- tatea medie global se estimeaz ca fiind 25%.
Numrul real de talere din coloan se calculeaz cu relaia
(1.32):
-
21
Nr = &
.& = 20 talere reale IC = (20 1) 0.6 + 1.5 + 1 = 13.9 m 14
m
2.4. Calculul schimbului termic absorbant srac-absorbant bogat.
Absorbantul srac iese din refierbtorul coloanei de stripare cu
temperatura Tb i
trebuie s intre la vrful coloanei de absorbie cu temperatura T0
= 30 . Se impune un schimb de cldur ntre absorbantul bogat care
iese de la baza coloanei de absorbie cu temperatura Tn = 40 i care
trebuie s intre ca flux de alimentare n coloana de stripare la
temperatura Tf = 80 i absorbantul regenerat care iese din
refierbtor cu temperatura de 116. Temperatura cu care iese
absorbantul regenerat din schimbul de caldur se presupune ca fiind
Tx =76 i se verific cu relaia (2.14):
( ) ( )xbpSnfp
n TTcLTTcLll
=00 00
(2.14)
Los - debitul de absorbant srac de la baza coloanei de desorbie
nL0 - debitul de absorbant bogat de la baza coloanei de
absorbie;
mdn- cldura specific medie a absorbantului bogat, respectiv
srac, kJ/kgC, care se citete din grafice din literatur la
temperatura medie aritmetic a temperaturilor respective.
25479.043.7(80-40) = 24517.013.8(116- 76)
Cldura specific medie a soluiei de absorbant se citete din
grafice din literatur la temperatura medie aritmetic a
temperaturilor respective. Temperatura Tx = 76 presupus s-a
verificat, deoarece relaia (2.14) s-a verificat n limita unei erori
impuse (
-
22
2.6. Determinarea necesarului de ap la condensatorul coloanei de
stripare.
Se determin sarcina condensatorului cu relaia (2.16):
QC = V0cpV0(Tv-TR) GR(x .- x ) (2.16) QC = 1180.444.20(97-60)
961.84(369.23-335.64) = 151132.2kJ/h
Cunoscnd sarcina condensatorului se poate calcula debitul de ap
de rcire GA, cu relaia (2.17):
GA = y
stuvw stuv^ (2.17)
GA =&.
.&. = 3013 kg/h
2.7. Determinarea necesarului de abur saturat la refierbtor
Debitul de abur la refierbtor GB se calculeaz cu relaia (2.18),
considernd c
se folosete abur de 6 bar i temperatura de 160
GB = yz
{t|}~v^ {tuvw (2.18)
GB =$.$
&.. = 3599.4 kg/h
