Proiectare Exemple

7/29/2019 Proiectare Exemple

1/38

Proiectarea instala iilor. Exemple de calcul

23

EXEMPLE DE PROIECTARE TEHNOLOGIC A UNORINSTALAII DE ELIMINARE A GAZELOR ACIDE PRIN

ABSORBIE N SOLUII APOASE DE AMINE

1.2.1 Proiectareatehnologicaunei instalaii de eliminare a hidrogenului sulfurat

prin absorbie n soluie apoasde monoetanolamin

Se consider ca date de intrare:Gazul impurificat: amestec de hidrocarburi asociat cu etanul;Debit de alimentare: 100.000 Nm3/zi;ConcentraiaH2S: intrare: 2% vol;

grad de absorbie: 95%;Concentraia soluiei apoase deMEA: 2N;Gradul de ncrcare al absorbantului srac: 0,05 kmolH2S/kmol

MEA;Parametrii de lucru in coloana de absorbie:

Presiunea: 5 bar;Temperatura de intrare a gazului impurificat: 40 C;Temperatura de intrare a absorbantului srac: 40 C;

Parametrii de lucru n coloana de desorbie:Presiune la vrf: 1,4 bar;Presiune la baz: 1,6 bar;Temperatura n refierbtor: 116 C;Temperatura refluxului: 60C;Ra ia de reflux: 5:1;

Se vor considera ambele coloane echipate cu umpluturnestructurat(inele Raschig ceramice).


2/38

Partea I-a. Elemente de proiectare

24

1.Proiectarea tehnologic a coloanei de absorbie

Calculul debitelor i concentra iilor fluxurilor din coloana de absorb ie

Din datele de intrare se calculeaz debitul molar de gaz impurificat:

01,186244,22

000.100TG kmoli/h

Cunoscnd concentraia H2S n gazul bogat, respectiv a gazului purttor(etanul) se calculeaz debitul molar deH2S, respectiv de etan:

72,302,001,186H2SH2S yGG T kmoli/h

29,18298,001,186tantan eTe yGG kmoli/h

Se calculeaz raportul molar 1nY :

0204,029,182

72,31nY kmoliH2S/kmol gaz purttor

sau:

1

11

1 n

nn

y

yY (2.1)

0204,002,01

02,01nY kmoliH2S/kmol gaz purttor

sau:

0204,098

21nY kmoliH2S/kmol gaz purttor

Din relaia de definiie a gradului de absorbie se calculeaz raportul molar1Y :


3/38


25

11

1

11 )1(100 nn

n YY

Y

YY(2.2)

00102,00204,0)95,01(1Y kmoliH2S/kmol gaz purttor.

Concentratia H2S n absorbantul srac se cunoate din datele deproiectare 0X =0,05 kmoli H2S /kmol MEA, iar concentraia nX se alegeastfel nct la determinarea numrului de talere teoretice prin metodagrafic s rezulte un numr rezonabil de talere (vezi din figura 2.1). Seconsider: nX =0,6kmoliH2S/kmolMEA.

Debitul molar de absorbant0

L se calculeaz prin bilan material n jurulcoloanei de absorbie conturul I din figura 1.2, cu relaia (1.2):

0

0,0204 0,00102182,29 6,42 61 391,62

0,6 0,05L kmol h kg h

Se calculeaz debitele pariale ale componenilor n fiecare flux la intrareai ieirea din coloan i concentraiile componenilor n fracii molare:

Debite i concentraii n fluxul de gaz bogat la intrarea n coloan:

hkghkmoliG /7,54683029,182/29,1820

hkghkmoliGn /48,1263472,3/72,31H2S H2S

hkgGGG nT /18,559548,1267,54681

H2S0 gaz impurificat

Debite i concentraii n fluxul de gaz srac la ieirea din coloan:

hkghkmoliG /7,54683029,182/29,1820

hkghkmoliYGG /32,634186,0/186,000102,029,182101

H2S H

2SneabsorbithkmoliGGG /48,182186,029,1821H2S01 gaz srac

hkgGGG /02,547532,67,54681 H2S01 gaz srac


4/38


26

00102,0

186,029,182

186,01y fracii molareH2S

sau 00102,000102,01

00102,0

1 1

11

Y

Yy fracii molareH2S

Debite i concentraii n absorbantul srac la intrarea n coloan:

hkghkmolL 62.3916142,60 MEA

Cunoscnd concentraia soluiei de amin (2N=12,2% mas) se poate

calcula debitul de soluie apoas deMEA:

32102,12

10062,3910SL kg/h soluieMEA

Soluia apoas deMEAeste alctuit din: 391.62 kg/hMEAi 3210-391,62= 2818,38 kg/h ap= 156,58 kmol/h ap.

hkghkmoliXLL /91,1034321,0/321,005,042,600

1

H2S

hkmoliLLL SHs /74,6321,042,61

20

1

0

hkgLLL SHSs /91,322091,1032101

20

1

0 soluie absorbant srac

0394,058,15642,6

42,6MEAx fracii molareMEA

i 9606,00394,011 MEAapa xx fracii molare ap.

Debite i concentraii n absorbantul bogat la ieirea din coloan:

hkghkmolL 62.3916142,60 MEA

hkghkmoliXLL nn

SH /9,1303485,3/85,36,042,602 H2S

hkmoliLLL n SHn

s /27,1085,342,6200

hkgLLL n SHSn

s /9,33409,1303210200 soluie absorbant bogat

375,085,342,6

85,3nx fracii molareH2S


5/38


27

sau 375,0

6,01

6,0

1 n

n

n

X

Xx fracii molareH2S

Bilanul termic pe coloana de absorbie

Cu realtiile (1.4) i (1.5) se estimeaz temperatura1T , respectiv

temperaturanT :

CT 01 46640

CTn0541440

TemperaturanT se verific cu rela ia de bilan termic (1.10), n care

debitele fluxurilor implicate au fost calculate anterior, i anume:

hkghkmoliG /7,5468/29,1820 32100SL kg/h soluieMEA

RGH2S = hkghkmoli /16,120/534,3 H2Sreacionat,

iar cldura specific medie izobar a gazului purttor (etanul),0Gp

c se

calculeaz cu relaia (2.3), la temperatura medie aritmetic ntre 1T i 1nT :

32 TDTCTBAcT

P (2.3)

unde: A, B, C, D - constante specifice gazului purttor (etanul) caresunt tabelate n literatur [7].

Aplicnd relaia (2.3) se obine: 834,143tanep

c kJ/kg K;

Cldura specific medie a soluiei de absorbantLop

c se citete din graficedin literatur [1] la temperatura medie aritmetic ntre

0T i nT . Se

ob ine: 15,447oL

Pc kJ/kgC.

Cldura de reac ie aH2ScuMEAse citete din tabele din literatur [1]. Seob ine: RH =1910 kJ/kg .Aplicnd relaia (1.10) se obine:


6/38


28

7,52

15,43210

)4046(834,17,54684015,43210191016,120bn TT C

Valoarea temperaturii n baza coloanei de absorbie obinut cu relaia(1.10) este n bun concordan cu valoarea presupus CTn

054 i decicalculul temperaturii nT se consider ncheiat.Se calculeaz temperatura medie pe coloan ca medie aritmetic ntre

1T i

nT i se obine CTm050 .

Determinarea numrului de talere teoretice din coloana de absorbie

Numrul de talere teoretice se determin prin metoda grafic simplificati se parcurg urmtoarele etape:

- la temperatura medie pe coloan i pentru valori de Xcuprinse ntreX0iXn se citesc din grafice din literatur [1] valorile presiunii parialeH2S;- din legea lui Dalton (rela ia 1.27) se calculeaz fraciile molare ale H2Scare apoi se transform n rapoarte molare Y, cu rela ia (2.1);- curba de echilibru Y-Xse reprezint n grafic semilogaritmic.

- din calculele anterioare se fixeaz coordonatele punctelor prin care trecedreapta de operare: A (0,05; 0,00102)iB (Xn; 0,0204). Abscisa punctului

B (Xn) se alege prin ncercri succesive astfel nct s se obin 2-3 talereteoretice. Se alegeXn=0,6 kmoliH2S/kmolMEA.- pentru reprezentarea dreptei de operare n grafic semilogaritmic suntnecesare i alte puncte intermediare n afara punctelor extreme A i B. necuaia dreptei de operare (1.3) se dau valori lui X ntre X0 i Xn i secalculeaz valorile lui Y. Rezultatele sunt prezentate n tabelul 2.1:

Tabelul 2.1.Calculul curbei de operarepentru coloana de absorbie a H2S n solu ie de MEA 2NX

kmoliH2S/kmolMEAY

kmoliH2S/kmol gaz purttor,X0=0,05 Y1=0,00102

0,1 0,002790,2 0,006310,3 0,009830,4 0,01340,5 0,0169

Xn=0,6 Yn+1=0,0204


7/38


29

- se reprezint n acelai grafic, n coordonate Y- X, att curba de echilibruct i curba de operare i se duc orizontale i verticale pornind de la punctul

B la punctul A. Numrul de orizontale reprezint necesarul de echilibrepentru absorbia respectiv. S-au obinut aprox. 3,0 talere teoretice (figura2.1).

Figura 2.1.Determinarea numrului de talere teoreticepentru coloana de absorbie a H2S n soluii apoase de MEA 2N.

Dimensionarea coloanei de absorbie

Coloana de absorbie este prevzut cu umplutur clasic, nestructurat (se

aleg inele Raschig de ceramic, de dimensiuni 25 25 3 mm cu caracteristicirecomandate de literatur [1]).Pentru determinarea debitului volumic de gaz bogat este necesar calcululmasei molare medii, cu relaia (2.4):

SHyMyMM SHeeV

22tantan (2.4)

08,3002,03498,030VM kg/kmol


8/38


30

Densitatea fazei vapori la intrarea n coloan se calculeaz cu relaia (2.5):

1n

v

vTR

MP(2.5)

79,540273083,0

08,305v kg/m

3,

iar, 268,0

360079,5

08,3001,186V m3/s.

Densitatea soluiei deMEAla ieirea din coloan se citete din grafice dinliteratur [1] (se neglijeaz contribuiaH2Sabsorbit la densitatea soluiei deabsorbant): 990l kg/m

3.Viscozitatea soluiei de absorbant bogat se calculeaz cu relaia (1.14).Viscozitatea cinematic a soluiei de MEA care se citete din grafice dinliteratur [1], la temperatura din baz i se ob ine: =0.6 10-6 m2/s.Viscozitatea dinamic este: 36 10594,0990106,0l kg/m s

Calculul vitezei vcse face cu ajutorul relaiei lui Kafarov (1.13):8/14/1

16,033

3

2

990

79,5

18,5595

9,334075,122,010594,010

990

79,5

75,081,9

195lg i

v

Din relaia (1.13) se obine vc=1,48 m/s.Cu relaia (1.12) se calculeaz viteza real a fazei vaporin seciunea liber

a coloanei, considernd un factor de necareF=0,5:vr=0,51,48=0,74 m/s

Din relaia (1.11) se calculeaz diametrul coloanei de absorbie:

679,074,014,3

268,04CD m.


9/38


31

Se calculeaz nlimea coloanei de absorbie cu rela ia (1.15), n care seconsider nal imea de umplutur de 12 m care se mparte n 3 tronsoane.Distan a ntre tronsoare se apreciaz ca fiind 0,5 m, iar nl imea la vrfde 1 m i cea la baz de 1,5 m. Se ob ine:

5,155,10,15,01312CI m.

Calculul pierderilor de absorbant

La vrful coloanei de absorbie au loc pierderi de absorbant datoritantrenrilor cu gaz inert. Aceste pierderi se calculeaz cu relaia (1.23).Debitul molar de gaz purificat de la vrful coloanei de absorbie, precum i fraciile molare ale apei i MEA n amestecul absorbant sunt calculateanterior.

61,3)0394,00004785,09606,002019,0(1

0394,00004785,09606,002019,048,182PL kmoli/h

Constantele de echilibru ale apei i MEA n amestecul absorbant latemperatura i presiunea de la vrful coloanei sau citit din graficele dinanexele 1 i 2.

Fraciile molare n faz vapori care se calculeaz cu relaia (1.26):

0194,09606,002019,0apay fracii molare

0000188,00394,00004785,0MEAy fracii molare

Pierderile din fiecare component al absorbantului srac se calculeaz cu

relaiile (1.24 i 1.25):LPap=(3,61+182,48)0,0194=3,61kmoli/h=64,98kg/h=2,707kg/zi

LPamin=(3,61+182,48)0,0000188=0,0035kmoli/h=0,003561=0,214kg/h=0,00892 kg/zi.


10/38


32

2. Proiectarea tehnologic a coloanei de desorbie

Bilanul termic i regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vrful coloanei de desorbie se aplicrela ia (1.27), n care fracia molar de abur se calculeazcu relaia (1.28).Debitul de reflux este calculat cu relaia (1.29):

67,17534,35RL kmoli/h =17,6718=318,06 kg/h ap

833,0534,367,17

67,17abury fracie molar abur

VT

apaSH PmmHgbarp 65,874750166,1166,1833,04,12

Temperatura la vrf se calculeaz cu relaia (1.30):

CTT

V

V

010413,46

44,38163036,1865,874ln

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat n coloan este egal cutemperatura de ieire dup schimbul de cldur cuabsorbantul srac de la

baza coloanei de desorbie, de alege Tf=80C.

Temperatura medie pe coloan se calculeaz ca medie aritmetic ntretemperatura din vrf i temperatura din baz (din datele de proiectare):

CTm0110 .

Presiunea medie se calculeaz ca medie aritmetic ntre presiunea din vrfi presiunea din baz (din datele de proiectare): 5,1mP bar.

Se calculeaz sarcina termic a refierbtorului cu relaia (1.34):

919.476.1191016,120)1,2514,2683(06,318)80116(1,43210BQ

kJ/h


11/38


33

unde: VTVH 0 - entalpia vaporilor de ap la temperatura TV=104Cs-a

citit din tabele din literatur [7], kJ/kg;RR

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60C, s-a citit

din tabele din literatur [7], kJ/kg;

SLpc

0- se citete din grafice din literatur [1] n funcie de

temperatura medie aritmetic ntre Tb i TR i concentraiasoluiei deMEA.

RH se citete din tabele din literatur [1] n funcie de tipulabsorbantului.

Debitele masice ale fluxurilor implicate n relaia (1.34) s-au calculatanterior.Pentru a calcula debitul de vapori VBcu relaia (1.35) se calculeaz B

T

vl curelaia (1.36). Fracia molar a apei n vaporii VB la echilibru cu soluiaapoasde amin se determin astfel: pentru o soluie care con ine 12,2 %mas amin i 87,8% mas ap se citete din grafice din literatur [1]compoziia apei n faz vapori, i se obine 99% mas. Se transformcompoziia fazei vapori din % mas n fracii molare i se gsetey = 0,997fracii molare ap.

2214)997,01(892997,0)7,4868,2704(BB

T

vl kJ/kg

unde: BTapal - cldura latent de vaporizare a apei la temperatura TB,

kJ/kg [7];BT

aal min - cldura latent de vaporizare a aminei la temperaturaTB, kJ/kg, din grafice din literatur [1].

08,6672214

1476919BV kg/h = 37,06 kmoli/h.

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

parialeH2Scitite din grafice din literatur [1] pentru diferite valori deXila temperatura medie pe coloana de desorbie CTm

0110 . Dreapta de


12/38


34

operare trece prin punctele definite de concentraiile fluxurilor ncontracurent la extremitile coloanei i anume punctulA (Xn, Yf) i punctul

B (X1, Yb).Concentraia Yfse calculeaz cu relaia (1.37):

2,067,17

534,3fY kmoliH2S/kmol abur

Concentraia Yb se citete din curba de echilibru Y-X, la valoarea luiX0=0,05 kmoli H2S/kmol MEA (vezi graficul din figura 2.3). Se ob ine:Yb=0,0023 kmoliH2S/kmol abur.

ConcentraiaX1se calculeaz cu relaia (1.38):

0633,005,00023,042,6

06,371X kmoliH2S/kmolMEA

Pentru reprezentarea curbei de operare sunt necesare i alte puncteintermediare n afara punctelor extreme A i B. Calculul lor se face cuecuaia dreptei de operare (1.39), dnd valori lui X ntre X1 i Xn .Rezultatele sunt prezentate n tabelul 2.2.

Tabelul 2.2.Calculul curbei de operarepentru coloana de desorbie a H2S din solu ie de MEA 2N

XkmoliH2S/kmolMEA

YkmoliH2S/kmol abur

X1=0,0633 YB=0,00230,1 0,008990,2 0,029080,3 0,05610,4 0,08980,5 0,1316

Xn=0,6 Yf=0,2

n relaia (1.39) se va ine seama c n zona de stripare debitul de vaporiscade liniar ntre VB i VO. S-a reprezentat grafic, n figura 2.2, variaialiniar a debitului de vapori cu concentraiaXntre punctele de coordonate

A (0,6; 17,67) iB (0,0633; 37,06). Din acest grafic se citesc valorile lui Vpentru diferite valori ale lui X cuprinse ntre X1 i Xn i se introduc necuaia dreptei de operare.


13/38


35

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

15

20

25

30

35

40

B

DebituldevaporiV,

kmoli/h

X, kmoli H2S/kmol MEA

A

Figura 2.2 Variaia debitului de abur de-a lungul

coloanei de desorbie a H2S din soluii apoase de MEA 2N.

Se reprezint n acelai grafic, n coordonate Y-X, att curba de echilibru cti curba de operare i se duc orizontale i verticale pornind de la punctul Bla punctulA. Numrul de orizontale reprezint necesarul de echilibre pentru

absorbia respectiv i s-a obinut aprox. 5 talere teoretice (figura 2.3).

Figura 2.3 Determinarea numrului de talere teoretice

pentru coloana de desorbie a H2S dinsoluii apoase de MEA 2N.


14/38


36

Diametrul coloanei de desorbie

Coloana de desorbie este prevzut tot cu umplutur clasic, nestructurat,de acela i tip ca la coloana de absorb ie.Calculul diametrului se face att n zona superioar ct i n cea inferioara coloanei de desorb ie.

Calculul diametrului n zona superioar

Sarcina maxim de vapori n zona superioar este:

2,21534,367,1720max

RSHGVV kmoli/h.

Masa molar medie a vaporilor de la vrful coloanei se calculeaz cu relaia(2.4):

2(1 )v H S f abur f M M y M y

unde:0,2

0,1671 0,2

fy frac ii molare H2S

34 0,167 18 (1 0,167) 20,67vM kg/kmol.

Debitul masic de vapori este: 2,43867,202,21GV kg/h.

Densitatea vaporilor se calculeaz cu relaia (2.5):

1,4 20,670,925

0,083 273 104v kg/m

3

Aplicnd legea general a gazelor se calculeaz debitul volumic de vapori:

131,03600925,0

67,202,21maxV m

3/s

Debitul maxim de lichid la vrful coloanei este:

max 0

n

SL L 3340,9 kg/h solu ie de absorbant bogat.


15/38


37

Densitatea solu iei de absorbant, la temperaturafT este: l=965 kg/m

3,

citit din grafice din literatur [1].

Viscozitatea solutiei de absorbant, citit din tabele din literatur [1], este:0,3088l 10

-3kg/ms,

Calculul vitezei vc se face cu ajutorul relaiei lui Kafarov (1.13):

20,16

3 3

3

1/4 1/8

195 0,925lg 10 0,3088 10

9,81 0,75 965

3340,9 0,9250,125 1,75

438,2 965

iv

Din relaia (1.13) se obine vc=3,38 m/s.

Cu relaia (1.12) se calculeaz viteza real a fazei vaporin seciunea libera coloanei, pentru un factor de necareF=0,5:

vr=0,5 1,099 =0,55 m/s

Din relaia (1.11) se calculeaz diametrul coloanei de stripare n zonasuperioar:

4 0,1310,551

3,14 0,55C

D m.

Calculul diametrului n zona inferioar

Sarcina maxim de vapori n zona inferioar este:

max 37,06BV V kmoli/h=667,08 kg/h= GV

Densitatea vaporilor se ob ine din literatur [7] la temperatura din baz,considernd c vaporii sunt alctuii numai din abur: V =0,965 kg/m

3Aplicnd legea general a gazelor se calculeaz debitul volumic de vapori:


16/38


38

192,03600965,0

08,667maxV m

3

/s

Debitul maxim de lichid este: 3210max osLL kg/h soluieMEA= GL .

Densitatea soluiei apoase de MEA 12,2% mas, la temperatura din bazeste: l=940,4 kg/m

3 [1].Viscozitatea dinamic a soluiei de MEA 12,2% mas, la temperatura din

baz este: 31025667,0l kg/ms [1].

Calculul vitezei vc se face cu ajutorul relaiei lui Kafarov (1.13):

8/14/1

16,033

3

2

4,940

965,0

08,667

321075,1125,0

1025667,0104,940

965,0

75,081,9

195lg i

v

Din relaia (1.13) se obine vc=2,753 m/s.Cu relaia (1.12) se calculeaz viteza real a fazei vapori n seciunea libera coloanei:

vr=0,5 2,753 =1,377 m/s

Din relaia (1.11) se calculeaz diametrul coloanei de desorbie n zonainferioar:

628,0377,114,3

192,04CD m.

Deoarece diferena ntre diametrul zonei superioare i cel al zoneiinferioare nu este mai mare de 0,2 m, ntreaga coloan se construiete cudiametrul zonei inferioare.


17/38


39

3. Determinarea necesarului de ageni termici din instalaie

Calculul schimbului termic absorbant srac-absorbant bogat

Absorbantul srac iese din refierbtorul coloanei de stripare cu temperaturaTbi trebuie s intre vrful coloanei de absorbie cu temperatura To=40C.Se impune un schimb de cldur ntre absorbantul bogat care iese de la

baza coloanei de absorbie cu temperatura Tn=54C i care trebuie s intreca flux de alimentare n coloana de stripare la temperatura Tf=80C iabsorbantul regenerat care iese din refierbtor cu temperatura de 116C.

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de caldur sepresupune ca fiind Tx=89C i se verific cu relaia (1.43):

)89116(01,491,3220)5480(95,39,3340

Cldura specific medie a solu iei de absorbant se citete din grafice dinliteratur la temperatura medie aritmetic a temperaturilor respective [1].Temperatura Tx=89C presupus s-a verificat deoarece relaia (1.43) s-averificat n limita unei erori impuse (


18/38


40

Determinarea necesarului de ap la condensatorul coloanei de stripare

Se determin mai nti sarcina condensatorului cu rela ia (1.49):

64,53330)01,54834,593(16,120)60104(20,406,318CQ kJ/h

Cunoscnd sarcina condensatorului se poate calcula debitul de ap de rcireGA, cu rela ia (1.50):

21,106334,1175,167

64,53330AG kg/h

Determinarea necesarului de abur saturat la refierbtor

Debitul de abur la refierbtorGBse calculeaz cu relaia (1.51) considerndc se folosete abur de 6 bar i temperatura de 160C:

36,7102,6743,2753

1476919BG kg/h

Entalpia aburului/apei la intrarea/ ieirea n refierbtor de citete din tabeledin literatur [7].

1.2.2 Proiectareatehnologica unei instalaii de eliminare a dioxidului

de carbon prin absorbie n soluie apoas dedietanolamin

Se consider ca date de intrare:

Debit de alimentare: 500.000 Nm3/zi;Concentraia CO2: intrare: 10% vol.;

ieire: 0,15 % vol.;Concentraia soluiei apoase deDEA: 20% mas;Gradul de ncrcare al absorbantului srac:

0,05 kmol CO2/kmolDEA.


19/38


41

Parametrii de lucru n coloana de absorbie:Presiune: 3 bar;Temperatura de intrare gaz impurificat: 30 C ;Temperatura de intrare absorbant srac: 40 C.

Parametrii de lucru n coloana de desorbie:Presiune la vrf: 1,2 bar;Presiune la baz: 1,4 bar;Temperatura n refierbtor: 120 C;Temperatura refluxului: 60C;Ratia de reflux: 3:1.

Se vor considera ambele coloane echipate cu talere cu supape.

1. Proiectarea tehnologic a coloanei de absorbie

Calculul debitelor i concentra iilor fluxurilor din coloana de absorb ie

Din datele de intrare se calculeaz debitul molar de gaz bogat:

059,930244,22

000.500TG kmoli/h

Cunoscnd concentraia CO2 n gazul bogat, respectiv a gazului purttor(metanul) se calculeaz debitul molar de CO2, respectiv de metan:

006,931,0059,930COCO 22 yGG T kmoli/h

053,8379,0059,930tantan meTme yGG kmoli/h

Se calculeaz raportul molar 1nY :

111,01,01

1,01nY kmoli CO2/kmol gaz purttor

sau

111,090

101n

Y kmoli CO2/kmol gaz purttor


20/38


42

Cunoscnd concentraia CO2n gazul srac se calculeaz debitul molar deCO2la ieire din coloana de absorbie:

255,10015,0053,837CO0CO 22 yGG kmoli/h

Se calculeaz raportul molar1Y :

0015,0053,837

255,11Y kmoli CO2 /kmol gaz purttor

sau

0015,00015,01

0015,01Y kmoli CO2/kmol gaz purttor

Concentraia CO2n absorbantul srac se cunoate din datele de proiectare:0

X =0,05 kmoli CO2 /kmolDEA, iar concentraia nX se alege astfel nct ladeterminarea numrului de talere teoretice prin metoda grafic s rezulte unnumr rezonabil de talere (vezi graficul din figura 2.4). Se alege: nX =0,4kmoli CO2 /kmolDEA.

Debitul molar de absorbant 0L se calculeaz prin bilan material n jurulcoloanei de absorbie, cu rela ia (1.2):

hkghkmolL 012,2753314,10587,26105.04.0

0015.0111.0053,8370

Se calculeaz debitele pariale ale componenilor n fiecare flux la intrareai ieirea din coloan:

Debitelepariale n fluxul de gaz bogat la intrarea n coloan:

hkghkmoliG /85,1339216053,837/053,8370

hkghkmoliG n /264,409244006,93/0061,931CO2 CO2

hkgGGG nT /114,17485264,409285,133921

CO0 2gaz

impurificat.


21/38


43

Debitele pariale i concentratii n fluxul de gaz srac la ieirea dincoloan:

hkghkmoliG /85,1339216053,837/053,8370

hkghkmoliYGG /245,5544255,1/255,10015,0053,837101

CO2

CO2 neabsorbithkmoliGGG /308,838255,1053,8371

CO01 2

gaz srac

hkgGGG /095,13448245,5585,133921CO01 2 gaz srac

0410,014,105/2018/80

14,105/20DEAx fracii molareDEA

i 959,00410,011 DEAapa xx fracii molare ap.

Debitele pariale n absorbantul srac la intrarea n coloan:

hkghkmolL /012,2753314,10587,2610

Cunoscnd concentraia soluiei de amin (20% mas) se poate calculadebitul de soluie apoas deDEA:

06,13766520

100012,275330SL kg/h soluieDEA

Soluia apoas de DEA este alctuit din: 27533,012 kg/h DEA i137665,06-27533,012=110132,05 kg/h ap

hkghkmoliXLL /114,576440935,13/0935,1305,087,261001

CO2

CO2hkmoliLLL /96,2740935,1387,2611CO0

1

0 2absorbant srac

hkgLLL /126,28109114,576012,275331CO01

0 2solu ie absorbant

srac


22/38


44

hkgLLL ss /17,138241114,57606,1376651

CO0

1

0 2soluie de

absorbant srac

Debitele pariale n absorbantul bogat la ieirea din coloan:

hkghkmolL /012,2753314,10587,2610

hkghkmoliXLL nn

CO /912,460844748,104/748,1044,087,26102CO2

hkmoliLLL nns /618,366748,10487,261CO200

hkgLLL

n

s

n

s /972,142273912,460806,1376652CO00 soluie deabsorbant bogat

Bilanul termic pe coloana de absorbie

Cu rela iile (1.4) i (1.5) nT care se estimeaz temperatura 1T , respectivtemperatura

nT :

CT 01 45540

CTn0

502030 .

TemperaturanT se verific cu rela ia de bilan termic (1.10), n care

debitele fluxurilor implicate au fost calculate anterior, i anume:

hkghkmoliG /85,13392/053,8370 06,1376650SL kg/h soluieDEA

R

COG 2 = hkghkmoli /04,4037/75,91 CO2 reac ionat,

iar cldura specific medie izobar a gazului purttor (metanul),0Gp

c se

calculeaz cu relaia (2.3), la temperatura medie aritmetic ntre1T i

1nT .

Se obine: 98,15,37tanmep

c kJ/kg K;

Cldura specific medie a absorbantului,Lop

c se citete din grafice din

literatur [1] la temperatura medie aritmetic ntre0

T i nT . Se ob ine:

80,345

Lopc kJ/kg C.


23/38


45

Cldura de reac ie a CO2 cuDEA se cite te din literatur [1]. Se ob ine:RH =1190 kJ/kg.

Aplicnd relaia (1.10) se obine:

80,306,137665

)3045(98,185,133924080,306,137665119004,4037nT

42,48nT C.

Valoarea temperaturii n baza coloanei de absorbie obinut cu relaia(1.10) este n bun concordan cu valoarea presupus CTn

050 i deci

calculul temperaturii nT se consider ncheiat.Se calculeaz temperatura medie pe coloan ca medie aritmetic ntre

1T i

nT i se obine CTm05,47 .

Determinarea numrului de talere teoretice din coloana de absorbie

Numrul de talere teoretice se determin prin metoda grafic simplificati se parcurg urmtoarele etape:- la temperatura medie pe coloan i pentru valori de Xcuprinse ntreX0i

Xn se citesc din grafice din literatur [1] valorile presiunii pariale CO2 .- din legea lui Dalton (relatia 1.27) se calculeaz fraciile molare ale CO2care se transform apoi n rapoarte molare Y, cu rela ia (2.1);- curba de echilibruX-Yse se reprezint n grafic semilogaritmic;- din calculele anterioare se fixeaz coordonatele punctelor prin care trecedreapta de operare: A (0,05; 0,0015) i B (Xn; 0,111). Abcisa punctului B(Xn) se alege prin ncercri succesive astfel nct s se obin 2-3 talereteoretice. Se alegeXn=0,4 kmoli CO2/kmolDEA;

- pentru reprezentarea dreptei de operare n grafic semilogaritmic suntnecesare i alte puncte intermediare n afara punctelor extreme A i B. necuaia dreptei de operare (1.3) se dau valori lui X ntre X0 i Xn i secalculeaz valorile lui Y. Rezultatele sunt prezentate n tabelul 2.3:


24/38


46

Tabelul 2.3. Calculul curbei de operarepentru coloana de absorbie a CO2 n solu ii de DEA 20% mas

Xkmoli CO2/kmolDEA

Ykmoli CO2/kmol gaz purttor

X0=0,05 Y1=0,00150,1 0,01710,2 0,04840,3 0,0797

Xn=0,4 Yn+1=0,111

- se reprezint n acelai grafic, n coordonate Y-X, att curba de echilibruct i curba de operare i se duc orizontale i verticale pornind de la punctul

B la punctul A.Numrul de orizontale reprezint necesarul de echilibrepentru absorbia respectiv. S-au obinut aproximativ 2 talere teoretice(figura 2.4).

Figura 2.4.Determinarea numrului de talere teoreticepentru coloana de absorbie CO2 n solutii apoase de DEA 20% mas.


25/38


47

Dimensionarea coloanei de absorbie

Coloana de absorb ie este echipat cu talere cu supape, iar calcululdiametrului se face conform metodologiei Glitsch, cu relaiile (1.181.20)aplicate n condiiile de regim i de debite din baza coloanei de absorbie.Debitele implicate n relaiile (1.181.20) au fost calculate anterior, ianume:

hkgGT /114,17485 gaz impurificat

hkgLns /972,1422730 soluie de absorbant bogat

Masa molar medie a gazului bogat se calculeaz cu relaia (2.4):

)1( 1tan12 nmenCOv yMyMM

kmolkgMv /8,18)1,01(161,044


24,230273083,0

8,183v kg/m

3

;


168,2360024,2

114,17485V m3/s.

Densitatea soluiei deDEA20 % mas la ieirea din coloan se citete din

grafice din literatur [1] la temperatura din baz: 8,999l kg/m

3

.Cu relaia (1.21) se calculeaz debitul maxim de vapori corectat:

103,024,28,999

24,2168,2

5,0

cV m3/s

Se calculeaz debitul volumic de soluie de absorbant:


26/38


48

37,2

8,99960

972,142273L m3/min

Din grafice din literatur [1, 8, 9] se citete CAFpentru v =2,24 kg/m3i s

= 0,609m se obine: CAF=0,42.

Se aplic relaiile (1.181.20):

616,042,073,07,01

37,205575,0B

15,342,073,07,0

103,028,3

05,030

37,2C

43,2571,1

15,314,3616,0616,05,02

cD m.

nlimea coloanei de absorbie se calculeaz cu relaia (1.22), n care

eficacitatea medie global se estimeaz ca fiind 15%.

Numrul real de talere din coloan se calculeaz cu relaia:

m

tr

E

NN (2.6)

3,1315,0

2rN 14 talere reale

42,1015,1609,0114CI m.

Calculul pierderilor de absorbant

La vrful coloanei de absorbie au loc pierderi de absorbant datoritantrenrilor cu gaz inert. Aceste pierderi se calculeaz cu relaia (1.23).Debitul molar de gaz purificat de la vrful coloanei de absorbie i fraciile


27/38


49

molare ale apei i DEA n absorbantul srac sunt calculate anterior.Constantele de echilibru ale apei i DEA n amestecul absorbant, latemperatura i presiunea de la vrful coloanei s-au citit din graficele dinanexele 1 i 2, sau se calculeaz cu programe de calcul [11].

51,260410,000000487,0959,003197,01

0410,000000487,0959,003197,0308,838PL kmoli/h

Fraciile molare n faz vapori care se calculeaz cu relaia (1.26):

0307,0959,003197,0apa

y fracii molare71020410,000000487,0DEAy fracii molare

Pierderile din fiecare component al absorbantului srac se calculeaz curelaiile (1.241.25):

LPap=(26,51+838,308) 0,0306=26,46kmoli/h=26,46 18=476,34kg/hLPamin=(26,51+838,308) 2 710 = 41073,1 kmoli/h= 41073,1 105,14=0,0182kg/h.

2.Proiectarea tehnologic a coloanei de desorbie

Bilanul termic i regimul de temperaturi

Pentru determinarea temperaturii la vrful coloanei de desorbie se aplicrela ia (1.27), n care fracia molar de abur se calculeaz cu relaia (1.28).Debitul de reflux este calculat cu relaia (1.29):

25,27575,913RL kmoli/h =275,25 18=4954,5 kg/h ap

75,075,9125,275

25,275abury fracii molare abur

VT

apaCO PmmHgbarp 6757509,09,075,02,12


28/38


50

Temperatura la vrf se calculeaz cu relaia lui Antoine (1.30):

CTT

V

V

09713,46

44,38163036,18675ln

Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat n coloan este egal cutemperatura de ieire dup schimbul de cldur cu absorbantul srac de la

baza coloanei de desorbie, se alege Tf=80C.

Temperatura medie pe coloan se calculeaz ca medie aritmetic ntre

temperatura din vrf i temperatura din baz (din datele de proiectare):CTm05,108 .

Presiunea medie se calculeaz ca medie aritmetic ntre presiunea din vrfi presiunea din baz (din datele de proiectare): 3,1mP bar.

Se calculeaz sarcina termic a refierbtorului cu relaia (1.34):

hkJQ

Q

B

B

/38785575

119004,4037)12,25121,2675(5,4954)80120(99,306,137665

n relaia (1.34) debitele masice s-au calculat anterior, iar celelalte mrimisunt:

VT

VH 0 - entalpia vaporilor de ap la temperatura TV=97C s-a

citit din tabele din literatur [7], kJ/kg;R

R

T

Lh - entalpia refluxului la temperatura TR=60C, s-a citit

din tabele din literatur [7], kJ/kg;

SLpc 0 - se citete din grafice din literatur [1] n funcie detemperatura medie aritmetic ntre Tb i TR i concentraiasoluiei deDEA.

RH se citete din tabele din literatur [1] n funcie de tipulabsorbantului.

Pentru a calcula debitul de vapori VB cu relaia (1.35) se calculeaz mainti BTvl cu relaia (1.36). Fracia molar a apei n vaporii VB la echilibru cu


29/38


51

soluia apoas de amin se determin astfel: pentru o soluie care con ine20% mas amin i 80% mas ap, se ob ine curba de echilibru (figura1.4) compoziia n fracii molare a apei n faz vapori, y=1.

1,22181)7,4868,2704(BB

T

vl kJ/h

Adic, BB

T

vlBT

apal , i reprezint cldura latent de vaporizare a apei la

temperatura 120C, n kJ/kg [7].

95,174851,2218

38785575

BV kg/h=971,44 kmoli/h

Determinarea numrului de talere teoretice din coloana de desorbie

Numrul de talere teoreticese determin prin metoda grafic simplificatCurba de echilibru YXpentru sistemul CO2 - DEAse calculeaz pornindde la valorile presiunii pariale CO2 citite din grafice din literatur [1]

pentru diferite valori de Xi la temperatura medie pe coloana dedesorbieCTm

0108 . Dreapta de operare trece prin punctele definite de

concentraiile fluxurilor n contracurent la extremitile zonei de desorb iedin coloan,i anume punctulA (Xn, Yf) i punctulB (X1, Yb).ConcentraiaYfse calculeaz cu relaia (1.37):

333,025,275

75,91fY kmoli CO2/kmol abur

Concentraia Yb se citete din curba de echilibru Y - X la valoarea luiX

0=0,05 kmoli CO

2/kmol DEA (vezi graficul din figura 2.6). Se ob ine

Yb=0,00619 kmoli CO2/kmol abur.

ConcentraiaX1 se calculeaz cu relaia (1.38):

073,005,000619,087,261

44,9711X kmoliCO2/kmol DEA


30/38


52

Pentru reprezentarea curbei de operare sunt necesare i alte puncteintermediare n afara punctelor extreme A i B. Calculul lor se face cuecuaia dreptei de operare (1.39), dnd valori lui X ntre X1 i Xn.Rezultatele sunt prezentate n tabelul 2.4.

Tabelul 2.4. Calculul curbei de operarepentru coloana de desorbie a CO2 din solu ie de DEA 20% mas

X,kmoliCO2/kmolDEA

Ykmoli CO2/kmol abur

X1=0,073 YB=0,006190,1 0,0140,2 0,05370,3 0,1275

Xn=0,4 Yf=0,333

n relaia (1.39) se va ine seama c n zona de stripare debitul de vaporiscade liniar ntre VB i VO. S-a reprezentat grafic, n figura 2.5, variaialiniar a debitului de vapori cuconcentraia Xntre punctele de coordonate

A (0,073; 971,44) iB (0,4; 275,25). Din acest grafic se citesc valorile lui Vpentru diferite valori ale lui X cuprinse ntre X1 i Xn i se introduc n

ecuaia dreptei de operare.

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

B

Debitul

devaporiV,

kmoli/h

X, kmoli CO2/kmol DEA

A

Figura 2.5. Variaia debitului de aburde-a lungul

coloanei de desorbie a CO2 din soluii apoase deDEA 20% mas.


31/38


53

Se reprezint n acelai grafic, n coordonate Y- X, att curba de echilibruct i curba de operare i se duc orizontale i verticale pornind de la punctul

B la punctul A. Numrul de orizontale reprezint necesarul de echilibrepentru desorbia respectiv i s-a obinut 3 talere teoretice (figura 2.6).

Figura 2.6.Determinarea numrului de talere teoretice

pentru coloana de desorbie a CO2din solu ii apoase de DEA 20% mas.

Diametrul coloanei de desorbie

Calculul diametrului se face conform metodologiei Glitsch, cu relaiile(1.181.20) aplicate pe rnd la vrful i la baza coloanei de stripare.

Calculul diametrului n zona superioar

Sarcina maxim de vapori este:

907,366657,9125,27520max

R

COGVV kmoli/h.

Debitul maxim de lichid este: RLLmax 275,25 18=4954,5 kg/h.

Masa molar medie a vaporilor de la vrful coloanei de stripare secalculeaz cu relaia (2.4):


32/38


54

2CO(1 )v f abur f M M y M y

44 0,25 18 (1 0,25) 24,5vM kg/kmol.


957,097273083,0

5,242,1v

kg/m3.


609,23600957,0

5,24907,366V m3/s.

Densitatea solu iei de absorbant este: 992l kg/m3 i s-a citit din

grafice din literatur [1]la temperatura Tf.Cu relaia (1.21) se calculeaz debitul maxim de vapori corectat:

0,50,957

2,609 0,0811992 0,957

cV m3/s

Se calculeaz debitul volumic de solutie de absorbant bogat:

142273,9722,39

60 992L m3/min

Din grafice din literatur [1, 8, 9] se citete CAFpentru v =0,957 kg/m3i

s=0,609 m i se obine: CAF=0,42.


2,390,05575 0,621

1 0,7 0,73 0,42B

2,39 3,28 0,08112,83

30 0,05 0,7 0,73 0,42C


33/38


55

0,520,621 0,621 3,14 2,83

2,331,571c

D m.

Calculul diametrului n zona inferioar

Sarcina maxim de vapori este BVVmax 17485,95 kg/h.Debitul maxim de lichid este: 17,138241max osLL kg/h soluie deabsorbant srac.Densitatea vaporilor se citete din literatur [7] la temperatura din baz,considernd c vaporii sunt alctuii numai din abur: V =0,965 kg/m

3.Se calculeaz debitul volumic de vapori:

033,53600965,0

95,17485maxV m

3/s.

Densitatea soluiei de DEA 20% mas la temperatura Tb=120C este:l=956 kg/m

3, citit din grafice din literatur [1].

Cu relaia (1.21) se calculeaz debitul maxim de vapori corectat:

16,0965,0956

965,0033,5

5,0

cV m3/s

Se calculeaz debitul volumic de soluie de absorbant:

41,2

95660

17,138241L m3/min

Din grafice din literatur [1, 8, 9] se citete CAFpentru v =0,965kg/m3i

s=0,609 m se obine: CAF=0,41.


641,041,073,07,01

41,205575,0B


34/38


56

11,4

41,073,07,0

16,028,3

05,030

41,2C

73,2571,1

11,414,3641,0641,05,02

cD m

Deoarece diferena ntre diametrul calculat la vrful coloanei i cel calculatlabaz este mai mare de 0,2 m, se construiete fiecare zon din coloana cudiametrul respectiv.

nlimea coloanei de desorbie se calculeaz cu relaia (1.22), n care

eficacitatea medie global se estimeaz ca fiind 25%.Numrul real de talere din coloan se calculeaz cu relaia (2.6):

1225,0

3rN talere reale

20,915,1609,0112CI m.

3. Determinarea necesarului de ageni termici din instalaie

Calculul schimbului termic absorbant srac-absorbant bogat

Absorbantul srac iese din refierbtorul coloanei de stripare cu temperaturaTbi trebuie s intre vrful coloanei de absorbie cu temperatura To=40C.Se impune un schimb de cldur ntre absorbantul bogat care iese de la

baza coloanei de absorbie cu temperatura Tn=50C i care trebuie s intreca flux de alimentare n coloana de stripare la temperatura Tf=80C iabsorbantul regenerat care iese din refierbtor cu temperatura de 120C.

Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de caldur sepresupune ca fiind Tx=90C i se verific cu relaia (1.43):

)90120(8,317,138241)5080(7,3972,142273

Cldura specific medie a solu iei de absorbant se citete din grafice dinliteratur la temperatura medie aritmetic a temperaturilor respective [1].Temperatura Tx=90C presupus s-a verificat deoarece relaia (1.43) s-averificat n limita unei erori impuse (


35/38


57

Determinarea necesarului de ap de rcire la rcitorul suplimentar

Necesarul de ap de rcire la rcitorul suplimentar se calculeaz cu relaia(1.45) considernd c apa intr cu temperatura de 28C i iese cu 40C:

hkgGapa /79,52226234,1175,167

)4090(79.317,138241

Entalpiile apei de rcire, la temperatura de ieire, respectiv de intrare, seob in din literatur [7], iarcldura specific medie a soluiei de absorbantsrac

0lpc , se citete din grafice din literatur la temperatura medie

aritmetic a temperaturilor respective [1].

Determinarea necesarului de ap la condensatorul coloanei de stripare

Se determin mai nti sarcina condensatorului cu rela ia (1.49):

35,634458)64,33523,369(91,4032)6097(20,45,4954CQ kJ/h

Cunoscnd sarcina condensatorului se poate calcula debitul de ap de rcireGA, cu rela ia (1.50):

70,1264834,1175,167

35,634458AG kg/h

Determinarea necesarului de abur saturat la refierbtor

Debitul de abur la refierbtorGBse calculeaz cu relaia (1.51) considerndc se folosete abur de 6 bar i temperatura de 160C:

98,186542,6743,2753

38785575BG kg/h

Entalpia aburului/apei la intrarea/ ieirea n refierbtor de citete din tabeledin literatur [7].


36/38


58

Bibliografie

1. Strtul, C., Purificarea gazelor, Editura tiinific iEnciclopedic,Bucureti, 1984, pg. 83, 131, 141, 143-148, 158, 161, 165,175-177, 179,192, 255-258, 321-327, 442, 451-452, 447-448;

2. Perry, R., Green, G., Perrys Chemical Engineers Handbook,Section 14: Gas Absorption and Gas-Liquid System Design, TheMcGraw Hill Company, 1999, pg. 14-43, 14-24;

3. Kohl, A., Nielsen, R., Gas Purification, 5th ed, ISBN 0-88415-220-0, 1997,pg. 64-87, 99, 100-103, 105, 110, 114, 117, 120;

4. Robu, V. I., Procese i Aparate de Separare n Industria Petrolului iPetrochimie, Editura Didactici Pedagogic, Bucureti, 1968, pg. 398;

5. Suciu, G. C. (coordonator), Ingineria prelucrrii hidrocarburilor,vol.3, editura Tehnic, Bucureti, 1987, pg. 163;

6. Taran, C., Strtul, C., Procese difuzionale de separare, vol. 2, IPG,Ploieti, 1979, pg. 22, 349, 381-382;

7. omoghi, V., .a., Proprieti fizice utilizate n calcule termice ifluidodinamice, U.P.G., Ploieti, 1997, pg. 74, 130, 139-147, 169;

8. Strtul, C. , Fracionarea, Principii i Metode de Calcul, Ed.Tehnic, Bucureti, 1986, pg. 392, 395, 412, 481-482, 490, 493;9. ***Gas Processors Suppliers Association (GPSA), Engineering

Data Book, Eleventh Edition 1998, Section 19: Fractionation andAbsorption, pg., 19-15, 19-17, 19-18;

10.Reid, R., C., Prausnitz, J., M., Poling, B., E., The Properties ofGases and Liquids, McGraw-Hill, 1987;

11.***PRO/II, Reference Manual.

.


37/38


59

0 2 4 6 8 10

10

100

1000

Constantadeechili

bruaapei,Kapa

Presiunea, bar

Temperatura:

200C

250C

300C

350C

40 0C

450C

500C

550C


38/38


0 2 4 6 8 10

10

100

1000

C

onstantadeechilibru

aapei,Kapa

Presiunea, bar

30 grade C

35 grade C

40 grade C

45 grade C

50 grade C

55 grade C

Documents

Proiectare Exemple