» 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: 2831 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).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 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 y_H2S, y_CO2 – мольная доля компонента в газе;

Cж – концентрация амина в растворе, моль/л;

K – коэффициент перевода к нормальным условиям;

m_H2S, m_CO2 – константы фазового равновесия H2S и CO2 в воде, кмоль/м­­3;

φ – селективность абсорбции H2S из смесей его с CO2;

α_i – 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 G_H2S, G_CO2 – количества поглощенных H2S и CO2, кг/ч;

r_H2S, r_CO2 – теплоты адсорбции H2S и CO2[1], кДж/кг;

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

C_C – теплоемкость газа, кДж/(кг*°C);

t_1Г, t_2Г – 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;

ρ_Р – 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]

 

М_МДЭА – 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 y_i’– мольная доля компонента в газе;

Массовые расходы компонентов, кг/ч:

,    (13)

где M_i – 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 C_H2S – 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:

 

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 p_H2O – 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 X_H2O – 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 G_H2S, G_CO2 – количества поглощенных H2S и CO2, кг/ч;

r_H2S, r_CO2 – теплоты адсорбции H2S и CO2[1], кДж/кг;

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

C_C – теплоемкость газа, кДж/(кг*°C);

t1_Г, t2_Г – температура газа на входе и на выходе из абсорбера, °C.

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

                                          (28)

где C_pi^пар – 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 r_CO2=1340 кДж/кг; r_H2S = 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: