» ГЛАВНАЯ > К содержанию номера
 » Все публикации автора

Журнал научных публикаций
«Наука через призму времени»

Январь, 2019 / Международный научный журнал
«Наука через призму времени» №1 (22) 2019

Автор: Кузнецова Виктория Михайловна, Магистр
Рубрика: Химические науки
Название статьи: Расчет количества абсорбента для очистки углеводородных газов от Н2S и CO2 раствором МДЭА

Статья просмотрена: 1028 раз
Дата публикации: 12.01.2019

РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА АБСОРБЕНТА ДЛЯ  ОЧИСТКИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ ОТ Н2S  и CO2  РАСТВОРОМ МДЭА

Кузнецова Виктория Михайловна

магистр

Петров Денис Игоревич

магистр

Санкт-Петербургский Государственный Технологический Институт

(Технический Университет), г. Санкт-Петербург

 

Аннотация. Среди всех химических методов очистки газов от Н2S  и CO2  широкое распространение получили процессы, основанные на применении водных растворов алканоламинов, которые способны обеспечить степень очистки углеводородных газов до 99,9%.  Большое практическое применение получили органические реагенты на основе моно- и диэтаноламина. Для селективного извлечения Н2S  и CO2  используется метилдиэтаноламин (МДЭА)оэтому появилась необходимость рассчитать количество абсорбента для очистки углеводородных газов от сероводорода и диоксида углерода регенерированным 45% водным раствором метилдиэтаноламина (МДЭА).

Ключевые слова: метилдиэтаноламин, абсорбция, углеводородные газы.

 

Состав газа (% об.):

·                    CH4 – 85,0

·                    C2H6 – 4,5

·                    C3H8 – 2,0

·                    C4H10 – 0,9

·                    C5H12 – 0,1

·                    N2 – 4,0

·                    H2S– 2,0

·                    CO2 – 1,5

-           Давление в абсорбере p = 6 МПа;

-           Температура газового сырья на входе в абсорбер 30 °C;

-           Температура регенирированного водного раствора МДЭА t= 38 °C;

-           Производительность установки по исходному газу V0 = 200000 м3/ч (н.у.);

-           Количества сероводорода и диоксида углерода в очищенном газе составляют соответственно 7 мг/м3 и 0,15% об.;

-           Количество серосодержащих и углекислотных компонентов в расчете на H2S иCO2составляет в регенерированном растворе МДЭА соответственно 5*10-4 и 3*10-4кмоль/моль МДЭА;

Минимальный удельный расход поглотителя рассчитывается по уравнению [1] с учетом температуры насыщенного раствора на выходе из абсорбера, м3/м3: 

,                      (1)

где yH2S, yCO2 – мольная доля компонента в газе;

Cж – концентрация амина в растворе, моль/л;

K – коэффициент перевода к нормальным условиям;

mH2S, mCO2 – константы фазового равновесия H2S и CO2 в воде, кмоль/м­­3;

φ – селективность абсорбции H2S из смесей его с CO2;

αi – содержание H2S (CO2) в регенерированном абсорбенте, моль/моль;

Для МДЭА n = 1.

Для того, чтобы определить температуру раствора в выходе, расчет будем проводить по схеме[1]:

Рисунок 1. Блок-схема расчета количества поглотительного раствора амина

Зададимся начальной температурой равной температуре регенерированного раствора амина 38°C, в результате последней итерации получаем температуру 64°C:

Температура насыщенного раствора на выходе из абсорбера рассчитывается по формуле [1]:

    (2)

где GH2S, GCO2 – количества поглощенных H2S и CO2, кг/ч;

rH2S, rCO2 – теплоты адсорбции H2S и CO2[1], кДж/кг;

CР – теплоемкость раствора МДЭА [1], кДж/(кг*°C);

CC – теплоемкость газа, кДж/(кг*°C);

t, t – температура газа на входе и на выходе из абсорбера, °C.

Молярную концентрацию амина в растворе определяем по формуле, моль/л:

                                                    (3)

Примем среднюю плотность для всех температур 1035 кг/м3, поскольку она не сильно меняется в зависимости от температуры.

где ω – массовая концентрация МДЭА в растворе;

ρР – плотность раствора при заданной температуре t, моль/л;

https://pandia.ru/text/80/200/images/image009_19.gif

Рисунок 2. Зависимость плотности водных растворов МДЭА от температуры при различной массовой доли МДЭА, %: 1-60; 2-40; 3-20[1]

 

ММДЭА – молярная масса МДЭА.

Коэффициент перевода к нормальным условиям:

,                      (4)

где p – общее давление абсорбции, МПа;

t – температура раствора, °C;

Константы фазового равновесия по уравнениям [1]:

                          (5,6)

Селективность абсорбции из (1) определяется по формуле:

                                                                                              (7)

Минимальный расход поглотителя, м3/м3:

 (8)

Практическая кратность циркуляции равна:

                                                                                                      (9)
Для обеспечения необходимой степени извлечения кислых газов выберем коэффициент 0,7, тогда:

Массовый расход раствора МДЭА, идущего на абсорбцию, кг/ч:

,   (10)

Найдём объемный расход воды в абсорбенте, м3/ч:

    (11)

Материальный баланс абсорбера

Мольные расходы компонентов в газе рассчитываются по формуле, кмоль/ч:

,   (12)
где yi’– мольная доля компонента в газе;

Массовые расходы компонентов, кг/ч:

,    (13)

где Mi – молярная масса компонента, кг/кмоль;

Массовая доля компонента:

(14)

Результаты расчетов представлены в таблице 1.

 

Таблица 1. Состав и расходы компонентов неочищенного газа

Компоненты

M, кг/кмоль

xi, масс. доля

Gi, кг/ч

y’ci ,  мол. доля

Ni, кмоль

CH4

16,0

0,720

121428,57

0,850

7589,29

C2H6

30,1

0,072

12093,75

0,045

401,79

C3H8

44,1

0,047

7875,00

0,020

178,57

C4H10

58,1

0,028

4668,75

0,009

80,36

C5H12

72,2

0,004

644,64

0,001

8,93

N2

28,0

0,059

10000,00

0,040

357,14

H2S

34,1

0,036

6089,29

0,020

178,57

CO2

44,0

0,035

5892,86

0,015

133,93

 

1,000

168692,86

1,000

8928,57

 

Пересчитаем массовую концентрацию H2S в очищенном газе в мольную долю:

   (15)

где CH2S – массовая концентрация сероводорода в газе, г/м3;

Количества метана, этана и пропана, растворяющихся в единицу времени, равны, м3/ч:

                (16)

                    (17)     

                 (18)

где αCH4, αC2H6, αC3H8, - растворимость метана, этана и пропана в воде при температуре t давлении 6МПа м3/м3; 

Рисунок 3. Изотермы растворимости в воде и водных растворах МДЭА:

а-метана, 1,2 – Н2О, 3 – 50% мас. МДЭА; 4,5,6 -33% мас. МДЭА, 1-20°C, 2- 40°C, 3- 20°C, 4-20°C, 5-40°C, 6-60°C, б –пропана; 1 – Н2О; 2,3,4 -33% МДЭА; 1 -20°C, 2-20°C, 3-40°C, 4-60°C.

Объемный расход метана, этана и пропана в очищенном газе, м3/ч:                        

       (19)

Объемный расход H2S и CO2, м3/ч:        

       (20)

 Массовые расходы компонентов, кг/ч:                                      

,  (21)

Таблица 2. Массовые расходы компонентов, поглощенных раствором МДЭА:

Компонент

Gki

CH4

4,52

C2H6

8,51

C3H8

15,58

C4H10

0

C5H12

0

N2

0

H2S

6089,26

CO2

5871,86

Сумма

11968,9

 

Расход газов, поглощенных раствором МДЭА, равен, кг/ч:

                                  (22)

В соответствии с уравнением Менделеева-Клайперона унос паров воды с очищенным газом равняется [3], кг/ч:

                      (23)

где pH2Oпарциальное давление паров воды над x`раствором МДЭА, кПа;

V – объемный расход очищенного газа, м3/ч.    

 

Зависимость давления паров воды над растворами аминов с достаточной точностью описывается законом Рауля [1], кПа:

                                                    (24)

где XH2O – мольная доля воды в растворе;

p0 – давление насыщенных паров чистой воды, кПа.

 

Уносом МДЭА за счет испарения можно пренебречь [3]. Механический унос раствора МДЭА принимаем по практическим данным [1], кг/ч:

                                                                                                                             (25)

Расход насыщенного кислыми компонентами водного раствора МДЭА, кг/ч:

                (26)

Таблица 3. Состав и расходы компонентов очищенного газа

Компоненты

M, кг/кмоль

yi, масс. доля

Gi,  кг/ч

y’i ,  мол. доля

Ni, кмоль/ч

CH4

16,0

0,775

121424,10

0,880802

7589,194

C2H6

30,1

0,077

12085,35

0,046618

401,6727

C3H8

44,1

0,050

7859,01

0,020686

178,2185

C4H10

58,1

0,030

4668,75

0,009326

80,35714

C5H12

72,2

0,004

644,64

0,001036

8,928571

N2

28,0

0,064

10000,00

0,04145

357,1429

H2S

34,1

0,000

0,03

0,0000046

0,039635

 

CO2

44,0

0,000

21,00

0,0015

12,92435

 

 

1,000

156703,88

1,00

8628,717

 

Таблица 4. Материальный баланс абсорбера

Поток, поступающий

в абсорбер

Gi, кг/ч

Поток, выводимый

из абсорбера

Gi, кг/ч

Неочищенный газ Gc

168693

Очищенный газ G

156703

Регенерированный раствор
МДЭА Gр

141100

Насыщенней кислыми компонентами раствора МДЭА Gн

152782

Сумма

309793

 

309480

 

 

Потери

312,8




Температурный режим в абсорбере

Температура насыщенного раствора на выходе из абсорбера определяется температурой регенерированного раствора и выделяющейся теплотой реакции взаимодействия H2S и CO2 с амином.

Температура выходящего из абсорбера газа должна быть на 2 – 5 °C ниже температуры регенерированного абсорбента. Зададимся температурой выходящего газа равной 35 °C.

Температура насыщенного раствора на выходе из абсорбера рассчитывается по формуле [1]:

            (27)

где GH2S, GCO2 – количества поглощенных H2S и CO2, кг/ч;

rH2S, rCO2 – теплоты адсорбции H2S и CO2[1], кДж/кг;

CP – теплоемкость раствора МДЭА [1], кДж/(кг*°C);

CC – теплоемкость газа, кДж/(кг*°C);

t1Г, t2Г – температура газа на входе и на выходе из абсорбера, °C.

Теплоемкость газа рассчитывается по правилу аддитивности, кДж/(кг*°C):

                                          (28)

где Cpiпар – теплоемкость газообразного компонента [4], кДж/(кг*°C);

Поскольку абсорбция обычно проводится при температурах до 100°C и теплоемкости в пределах 10-100 градусов не сильно отличаются, будем брать теплоемкости при 50°C.

Теплоты хемосорбции кислых компонентов принимаются равными rCO2=1340 кДж/кг; rH2S = 1047 кДж/кг.

Температура насыщенного раствора на выходе из абсорбера, °C:

       (29)



Список литературы:

  1. Мурин В.И. Технология переработки природного газа и газового конденсата. Справочник/ В.И. Мурин, Н.Н. Кисленко, Ю.В. Сурков и др. – М.: Недра, 2002. – 517 с.
  2. Кузнецов А.А. Расчет основных процессов и аппаратов переработки углеводородных газов. Справочное пособие/ А.А. Кузнецов, Е. Н. Судаков – М.: Химия, 1983. – 225 с.
  3. Бусыгина Н.В. Технология переработки природного газа и газового конденсата/ Н.В. Бусыгина, И.Г. Бусыгин. – Оренбург: ИПК «Газпромпечать» ООО «Оренбурггазпромсервис», 2002. – 432 с.
  4. Рид Р. Свойства газов и жидкостей/ Р.Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд. – Ленинград «Химия», 1982. – 591 с.


Комментарии:

Фамилия Имя Отчество:
Комментарий: