» 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
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).Поэтому 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
- Температура регенирированного водного раствора МДЭА t=
- 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
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);
t1Г, t2Г –
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;
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/ч |
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-
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 pH2O – парциальное 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 |
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 –
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
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:
- 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.
- Кузнецов А.А. Расчет основных процессов и аппаратов переработки углеводородных газов. Справочное пособие/ А.А. Кузнецов, Е. Н. Судаков – М.: Химия, 1983. – 225 с.
- Бусыгина Н.В. Технология переработки природного газа и газового конденсата/ Н.В. Бусыгина, И.Г. Бусыгин. – Оренбург: ИПК «Газпромпечать» ООО «Оренбурггазпромсервис», 2002. – 432 с.
- Рид Р. Свойства газов и жидкостей/ Р.Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд. – Ленинград «Химия», 1982. – 591 с.
Комментарии: