Технологический расчёт десорбера аминовой очистки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. РАСЧЕТ ДЕСОРБЕРА ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ РАСТВОРА МОНОЭТАНОЛАМИНА

 

Рассчитать отгонную колонну  (десорбер) для регенерации насыщенного кислыми компонентами (сероводород и диоксид углерода) водного раствора моноэтаноламина (МЭА). Состав раствора приведен в таблице 1. Температура насыщенного раствора моноэтаноламина при его вводе в аппарат ⁰C. Количество серосодержащих компонентов в регенерированном растворе не должно превышать 0,005 кмоль на моль МЭА, а углекислых компонентов 0,0005 кмоль на кмоль МЭА.

Насыщенный кислыми компонентами водный раствор МЭА регенерируется при нагревании. Схема материальный потоков показана на рисунке 1.

Сырьем десорбера 1 является водный раствор МЭА, нагреваемый в теплообменники 6 до температуры t и подаваемый в верхнюю часть тарельчатого аппарата в количестве .

При нагревании насыщенного  кислыми компонентами раствора МЭА  давление паров этих компонентов  быстро растет. Химические соединения, образовавшиеся при химической абсорбции, разлагаются с выделением кислых компонентов. Процесс разложения химических соединений описывается следующими стехиометрическими уравнениями:

                                     2RNH₃HCO₃       (RNH₃)₂CO₃ + CO₂ + H₂O                                 (1)

                                          (RNH₃)₂CO₃        2RNH₂ + CO₂ + H₂O                                    (2)

                                                2RNH₃HS        (RNH₃)₂S + H₂S                                           (3)

                                                  (RNH₃)₂S        2RNH₂ + H₂S                                              (4)

где R - группа OHCH₂CH₂ -

Насыщенный раствор МЭА  при вводе в аппарат однократно испаряется. Образовавшаяся при однократном испарении жидкая фаза раствора МЭА из нижней части десорбера поступает в межтрубное пространство испарителя 2, где нагревается и вновь частично испаряется за счет тепла конденсации водяного пара. Нагретый и регенерированный раствор выводится из нижней части десорбера.

Поток кислых газов, водяного пара и жидкий остаток из испарителя 2 возвращается в десорбер 1.

Кислые газы и водяной  пар в количестве выводятся из верхней части десорбера, охлаждаются в конденсаторе-холодильнике 4 и поступает в емкость орошения 3. Вода из емкости орошения насосом 5 возвращается в верхнюю часть десорбера в качестве орошения. Кислые газы выводятся из системы.

 

         G_п.г.с  Вода 4

   II

                            G_п G₀ G_к

             I                   G_c 

                                                        5                                  3

     6                    G_ж

 

    1                         G’_п               Пар

 G_ж

   2

 G’_ж

 А_р 

 

Рисунок 1. Схема материальных потоков десорбера

 

1 – десорбер, 2 – испаритель, 3 – сепаратор, 4 – конденсатор-холодильник, 5 - насос, 6 – теплообменник; I – насыщенный абсорбент из абсорбера, II – регенерированный абсорбент в абсорбер.

 

Таблица 1. Расчет состава  насыщенного абсорбента

№	Компонент	Мольная масса,	Количество		Содержание
1	H2O	18	123086	6838,083	0,82057	0,932029	16,78
2	RNH2	61,1	21000	343,699	0,14000	0,046846	2,86
3	H2S	34	3750	110,294	0,025	0,015033	0,51
4	CO2	44	1500	34,091	0,01	0,004647	0,20
5	(RNH3)2CO3	184,2	45	0,244	0,0003	0,000033	0,01
6	RNH3HCO3	123,1	4,5	0,037	0,00003	0,000005	0,00
7	(RNH3)2S	156,2	450	2,881	0,003	0,000393	0,06
8	RNH3HS	95,1	30	0,315	0,0002	0,000043	0,00
9	CH4	16	90	5,625	0,0006	0,000767	0,01
10	C2H6	30	45	1,500	0,0003	0,000204	0,01
	Σ		150000	7336,77	1,0000	1,0000	20,44

 

 

 

 

 

 

 

1. СОСТАВ СЫРЬЯ

 

Для расчета регенерации  поглотителя в десорбере необходимо знать химический состав насыщенного  абсорбента при температуре ⁰C и давлении в теплообменники 6 (рисунок 1). Принимаем давление в трубном пространстве теплообменника равным

Водный раствор МЭА  содержит и в растворенном и химически связанном состояниях (таблица 1).

Найдем количества кислых компонентов, которые образуются при  разложении химических соединений  по реакциям (1) - (5).

Рассмотрим реакцию (1):

Реакция                                                         2RNH₃HCO₃        (RNH₃)₂CO₃ + CO₂ + H₂O

Число киломолей в исходной смеси 2 0 0        0

То же, в равновесной смеси           

Всего киломолей в равновесной смеси 

Разность числа киломолей 

Рассчитаем изменение  изобарного потенциала для реакции (1) по формуле:

  

  изменение энтальпии образования, кДж/моль найдем по следующей формуле:

 

  изменение энтропии реакции, кДж/(моль*К) найдем следующем образом:

  

 

Константа химического равновесия связана с изменением стандартного изобарного потенциала:

 

откуда

Аналогичным способом получены числовые значения констант химического  равновесия для реакций (2)-(4):

;

;

.

Тогда в соответствии с  уравнениями для констант химического  равновесия запишем:

 

Методом подбора определяем ,

 

 

Методом подбора определяем ,

 

 

Методом подбора определяем ,

 

 

Методом подбора определяем

Для разложения (кмоль/час) вещества, записанного в левой части стехиометрического уравнения (1) имеем:

 

Необходимо знать исходное количество сырья для этой реакции (таблица 1). Оно равно

По реакции 1 имеем следующее  разложение:

 

 

  

 

По реакции (1) получено:

 

 

 

 

 

 

После реакции (1) в насыщенном абсорбенте остается непрореагировавшим сырье в количестве:

 

 

 

Для разложения вещества, записанного в левой части стехиометрического уравнения (2) имеем:

 

 

Имеем исходное количество сырья для этой реакции (таблица 1).

 

 

По реакции 2 имеем следующее разложение:

 

 

 

  По реакции (2) получено:

 

 

 

В насыщенном абсорбенте остается непрореагировавшим сырье в количестве:

 

Для разложения вещества, записанного в левой части стехиометрического уравнения (3) имеем:

 

Имеем исходное количество сырья для этой реакции (таблица 1).

 

По реакции 3 имеем следующее разложение:

 

 

По реакции (3) получено:

 

 

Количество непрореагировавшего сырья:

 

Для разложения вещества, записанного в левой части стехиометрического уравнения (4) имеем:

 

Имеем исходное количество сырья для этой реакции (таблица 1).

 

По реакции (4) разлагается:

 

 

 

 

По реакции (4) получено:

 

 

 

Количество непрореагировавшего сырья:

 

В результате нагревания в  теплообменнике состав сырья десорбера, найденный при расчете абсорбера (таблица 1), измениться. При вводе сырья в десорбер имеем:

 

 

 

 

 

 

 

Расчет состава насыщенного  абсорбента при его вводе в  десорбер дан в таблице 2.

Средняя мольная масса  сырья десорбера из таблицы 2 равна:

 

Таблица 2. Расчет состава  насыщенного абсорбента

№	Компонент	Мольная масса,	Количество		Содержание
1	H2O	18	123088	6838,227	0,8206	0,9316	16,77
2	RNH2	61,1	21197	346,919	0,1413	0,0473	2,89
3	H2S	34	3804	111,878	0,0254	0,0152	0,52
4	CO2	44	1506	34,235	0,0100	0,0047	0,21
5	(RNH3)2CO3	184,2	23	0,125	0,0002	0,0000	0,00
6	RNH3HCO3	123,1	1	0,012	0,0000	0,0000	0,00
7	(RNH3)2S	156,2	235	1,507	0,0016	0,0002	0,03
8	RNH3HS	95,1	10	0,106	0,0001	0,0000	0,00
9	CH4	16	90	5,625	0,0006	0,0008	0,01
10	C2H6	30	45	1,500	0,0003	0,0002	0,01
	Σ		150000	7340,13	1,0000	1,0000	20,4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ТЕМПЕРАТУРА И ДАВЛЕНИЕ В АППАРАТЕ

 

Температура в верхней  части десорбера должна быть такой, чтобы унос раствора МЭА из аппарата был минимальным. Этому условию соответствует температура:

,

где    разность температур кипения раствора МЭА и температуры в верхней части аппарата, ⁰С.

Величина  выбирается так, чтобы соблюдалось неравенство температур: 

Температура кипения насыщенного  раствора при с = 0,004 кмоль МЭА определяется из графика зависимости температуры кипения 15%-ного раствора МЭА от содержания в растворе при давлении в верхней части колонны   и равна ⁰С.

Приняв ⁰С, получим:

⁰С.

Указанное выше неравенство  температур выполняется:

90 ⁰С < 111 ⁰С < 119 ⁰С

Для обеспечения движущей силы процесса регенерации раствора МЭА необходимо создать разность температур между нижней и верхней части десорбера. При проектировании установок аминной очистки газов от кислых компонентов числовое значение принимаем равным ⁰С.

Принятие больших числовых значений приведет к увеличению тепловой нагрузки испарителя 2, обеспечивающего теплом нижнюю часть десорбера. Одновременно увеличится тепловая нагрузка конденсатора-холодильника, обеспечивающего поддержание температуры ⁰С. С учетом названных обстоятельств, примем ⁰С. Тогда температура в нижней части аппарата равна:

⁰С.

С учетом термической стойкости  раствора МЭА и для предотвращения коррозии оборудования давления в аппарате должно быть не выше    Принимаем давление по высоте аппарата одинаковым и равным . Это не окажет существенного влияния на результаты дальнейших расчетов, т.к перепад давления в десорбере зависит от числа и типа тарелок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 ДОЛЯ ОТГОНА И СОСТАВ ЖИДКОЙ И ПАРОВОЙ ФАЗ СЫРЬЯ

 

При нагревании насыщенного  водного раствора МЭА химические соединения, образовавшиеся вследствие поглощения  кислых компонентов в абсорбере, разлагаются с выделение и . При подаче сырья в десорбер (⁰С и) происходит однократное испарение с образованием жидкой и паровой фаз.

Мольная доля отгона исходного сырья и состава фаз при температуре ⁰С,   рассчитываются аналитическим методом Трегубова путем подбора такого значения , при котором удовлетворятся равенства: