Технологический расчёт десорбера аминовой очистки


                        Российский государственный университет

нефти и газа им. И.М.Губкина

Филиал в г. Оренбурге

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая РАБОТА

 

по дисциплине "Процессы и аппараты химической технологии

                (нефтегазопереработки и нефтехимии)"

 

Тема: "Технологический расчёт  десорбера аминовой очистки"

 

 

 

                                                                         Выполнил: Сулейменова А.Т.

    студентка гр. ХН-09

                                                                 Проверил: к.т.н., доцент  

                                                                                     Кузнецов О.А.

 

 

 

Оренбург 2013г

СОДЕРЖАНИЕ

1.Введение……………………………………………………………………………………………………3

  2.   Описание технологической схемы……………………………………….……………….…5

3.Состояние вопроса……………………………………………………………………………………….8

4.Расчет десорбера для регенерации раствора моноэтаноламина………..11

4.1.Состав сырья…………………………………………………………….….………………….......12

4.2.Определения температуры и давления в аппарате…………………..........13

    1. Доля отгона и состав жидкой и паровой фаз сырья………………….………….15

4.4. Расчет разложения химических соединений в испарителе…………………18

4.5. Материальный баланс регенерации раствора МЭА……………………………20

4.6. Тепловой баланс десорбера…………………………………………………………………...25

4.7. Число теоретических и рабочих тарелок……………………………………………..29

4.8. Диаметр десорбера…………………………………………………………………………………31

4.9.Высота десорбера……………………………………………………………………………….……35

Литература…………………………………………………………………………………………………….43

 

 

            1  Введение

Углеводородные  нефтяные и природные газы могут  содержать в качестве примесей нежелательные  кислые компоненты — диоксид углерода (СОз), сероводород (H2S), а так же сероорганические соединения — серооксид углерода (COS), сероуглерод (CSj), меркаптаны (RSH), тиофены.

Диоксид углерода, сероводород и меркаптаны создают условия для коррозии металлов, отравляют катализаторы, снижая эффективность каталитических процессов, в которых используются углеводородные газы.

Сероводород, меркаптаны, серооксид углерода — высокотоксичные вещества.Диоксид углерода, присутствующий в газообразном топливе, уменьшает теплоты сгорания топлива.

Однако  кислые компоненты, извлеченные при  очистке углеводородных газов, могут  использоваться в качестве сырья  при производстве, например, серы и  серной кислоты.

Для очистки  нефтяных и природных газов от сероводорода, диоксида углерода и других серо- и кислородсодержащих соединений применяют абсорбционные процессы, которые в зависимости от взаимодействия этих соединений с растворителями (абсорбентами) подразделяются на «частные» процессы физической и химической абсорбции.

Выбор способа  очистки сводится к выбору растворителя, поскольку от его специфических  свойств зависит технологическая  схема и технико-экономические показатели процесса.

При физической абсорбции очистка газов от нежелательных  соединений происходит в результате контакта газов с жидкими растворителями неорганическими (вода) или органическими (пропиленкарбонат, диметиловый эфир полнэтнлеигликоля, N-метилпирролидон и др.), а также поглощения нежелательных компонентов названными растворителями.

Основные  недостатки процессов физической абсорбции  состоят в следующем: применяемые растворители относительно хорошо поглощают углеводороды; тонкая очистка газов обеспечивается после дополнительной доочистки алканоламиновыми растворителями.

При химической абсорбции очистка газов от нежелательных  соединений происходит в результате контакта газов с растворителями, представляющими собой водные растворы алканоламинов: моноэтаноламина (МЭА), диэтанол- лмина (ДЭА), диизопропаноламин (ДИПА), дигликольамина (ДГА) и др. При контакте нежелательных компонентов с названными растворителями-реагентами происходят химические реакции.

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     2. Описание  технологической схемы I очереди ГПЗ

Блок  сепарации газа, очистки от  H2S и СO2 и осушки У70

Блок очистки газа состоит  из трех самостоятельных, идентичных установок, предназначенных для очистки  сырьевого газа ОГКМ и КГКМ. Каждая из трех установок состоит из двух идентичных полулиний.

Сырьевой газ с промысла, с давлением 58-60 атм поступает в сепаратор 10В01, где отбиваются жидкие у/в и механические примеси. Конденсат сепарации направляется на установку стабилизации конденсата У30. Отсепарированный газ через теплообменник 10ЕО3 подается в нижнюю часть абсорбера 20С01. Очистка производится 30% водным раствором МЭА. Процесс абсорбции основан на химическом поглощении H2S и CO2 химически активной частью поглотительного раствора.

Основные реакции:

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

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

2RNH2+H2S=(RNH3)2S

(RNH3)2S+H2S=2RNH3HS

где R-OHCH2CH2-

Поглощение кислых компонентов  происходит при Т=50-56оС и Р=60 атм. Аминовый абсорбент подается двумя потоками в верхнюю часть абсорбера 20С01, стекает вниз по тарелкам и в противоточном контакте с поступающим с нижней части абсорбера газом происходит абсорбция кислых компонентов (H2S, CO2) из газа.

Насыщенный абсорбент  снизу абсорбера направляется в  емкость расширения 20В03, где сбрасывается давление. При этом растворенные в абсорбенте у/в выветриваются из него. Газ расширения аминового абсорбента с верха 20ВO3 направляется на У30 на очистку от H2S, а дегазированный абсорбент дается в верхнюю часть регенератора (десорбера) 20СО3. Регенерация происходит при Т=110-130 0С. Аминовый абсорбент стекает вниз по тарелкам и из него отпариваются кислые компоненты. Регенерированный абсорбент выходит с куба колонны, охлаждается в рекуперационном теплообменнике 20Е01 и направляется в емкость хранения 20Т01.

Кислый газ и водяной  пар, выходящие с верха десорбера 20С03, охлаждаются в аэрохолодильнике 20А01, затем в теплообменнике 20Е05 и проходят через емкость орошения 20В05, откуда сконденсировавшаяся вода возвращается в десорбер в виде флегмы орошения, а кислый газ (около 70% H2S, 20% CO2, небольшое количество воды, метанола, у/в) направляются на установки получения серы 2,3 У50.

С целью очистки циркулирующего раствора абсорбента от мех.примесей, способных вызвать вспенивание, предусмотрен блок фильтрации амина 20FL01. Предусмотрена также подача антивспенивателя. По мере необходимости производится  подпитка свежим раствором абсорбента.

Очищенный от  H2S и CO2 газ из верхней части абсорбера выводится на осушку. После охлаждения в т/о 40Е01 газ поступает в сепаратор 40В01, где от него отделяется увлеченный абсорбент. Абсорбент по мере накопления выводится из 40В01 в емкости расширения 20В03. Газ из 40В01 через 40Е01, где предварительно захолаживается, подается в пропановый  испаритель 40Е03. Для предотвращения гидратообразования перед 40Е01 и 40Е03 в поток газа вспрыскивается 80% раствор МЭГ. Из 40Е03 поток подается в сепаратор 40В03, где происходит разделение газовой и жидкой фаз. Осушенный газ из сепаратора 40В03 проходит рекуперационный т/о 40 Е01,где отдает свой холод и направляется на У140 в газопровод товарного газа «Ново-Псков».

Жидкая фаза, состоящая  из МЭГ, воды и у/в, сконденсировавшихся  из газа при низких температурах, направляется в емкость расширения 40В05 (трехфазный разделитель), в которой происходит разделение потока на три фазы:

-газовая фаза выводится  в топливную сеть завода;

-углеводороды (конденсат  осушки), выводится в блок стабилизации  конденсата У09

-богатый (насыщенный) МЭГ  направляется на регенерацию.

Насыщенный МЭГ из 40В05 поступает в 40В06, где дегазируется от остатков легких углеводородов. МЭГ с иза 40В06 через фильтр 40 FL01, т/о 40Е08 поступает в колонну регенерации 40С01. Куб колонны подогревается. Пары воды поднимаются по колонне, выводятся сверху, конденсируются в водяном холодильнике 40F09, и направляются в емкость орошения 40В07. Сконденсировавшаяся вода насосом 40Р03 подается на орошение колонны. Регенерированный МЭГ с куба колонны через т/о 40Е08, где отдает свое тепло богатому МЭГ, подается опять на впрыскивание в газовый паток перед захолаживанием. Регенерацию раствора МЭГ основана на разности температур кипения воды и гликоля.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Состояние  вопроса

Абсорбция — процесс избирательного поглощения компонентов газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Процесс аб-

сорбции происходит в том  случае, когда парциальное давление извлекаемого компонента в газовой  смеси выше, чем в жидком абсорбенте, вступающем в контакт с этим газом, т.е. для протекания абсорбции необходимо, чтобы газ и абсорбент не находились в состоянии равновесия. Различие в парциальном давлении извлекаемого компонента в газе и жидкости является той движущей силой, под действием  которой происходит поглощениебольше эта движущая сила, тем интенсивнее переходит этот компонент из газовой фазы в жидкую. По своей природе различают два вида абсорбции: физическую, при которой извлечение компонентов из газа происходит благодаря их растворимости в абсорбентах и химическую (хемосорбцию), основанную на химическом взаимодействии извлекаемых компонентов с активной частью абсорбента. Скорость физической абсорбции определяется диффузионным процессами, скорость хемосорбции зависит от скорости диффузии и химической реакции.

Поглощение компонентов  газовой смеси при абсорбции  сопровождается выделением тепла, величина которого пропорциональна массе  и теплоте растворения qA поглощенных компонентов.

Процесс абсорбции обратимый, поэтому он используется не только

для получения растворов  газов в жидкостях, но и для  разделения газовых смесей. При этом после поглощения одного или нескольких компонентов газа из газовой смеси  необходимо произвести выделение из абсорбента поглощенных компонентов т.е. десорбцию.

При выборе абсорбента учитывают  состав разделяемого газа, давление и  температуру процесса, производительность установки. Выбор абсорбента определяется также его селективностью, поглотительной способностью, коррозионной активностью, стоимостью, токсичностью и другими  факторами.

В нефтяной и газовой промышленности процесс абсорбции применяется  для разделения, осушки и очистки  углеводородных газов. Из природных и попутных нефтяных газов путем абсорбции извлекают этан, пропан, бутан и компоненты бензина; абсорбцию применяют для очистки природных газов от кислых компонентов — сероводорода, используемого для производства серы, диоксида углерода, серооксида углерода, сероуглерода, тиолов (меркаптанов) и т.п.; с помощью абсорбции также разделяют газы пиролиза и каталитического крекинга и осуществляют санитарную очистку газов от вредных примесей.

В качестве абсорбентов при  разделении углеводородных газов используют бензиновые или керосиновые фракции, а в последние годы и газовый  конденсат, при осушке — диэтиленгликоль (ДЭГ) и триэтиленгликоль(ТЭГ). Для абсорбционной очистки газов от кислых компонентов применяют α/-метил-2-пирролидон, гликоли, пропиленкарбонат, трибутилфосфат, метанол; в качестве химического поглотителя используются моно- и диэтаноламины.

В отличие от ректификации процесс абсорбции протекает  в основном однонаправленно, т.е. абсорбент можно считать практически нелетучим. В случае абсорбции многокомпонентной газовой смеси на некоторой ее стадии отдельные компоненты могут вытесняться другими поглощаемым компонентами. В результате наряду с процессом абсорбции будет протекать процесс частичной десорбции некоторых компонентов, что приведет к распределению компонентов между газовой и жидкой фазами, обусловленному обоими указанными процессами.

Процессы десорбции используются в химической, нефтехимической и  пищевой промышленностях для  удаления растворенных в жидкости газов  путем нагрева жидкостей, как  правило, конденсирующимся паром, так  как растворимость газов в  жидкостях существенно снижается  при повышении их температур.Процессы десорбции применяются для регенерации абсорбционных растворов, поглощающих, например, СО, СО2, N2 и др. газы. 
 
Процесс термической десорбции кислорода из воды является одним из главных в водоподготовке крупных котельных и ТЭЦ, так как наличие кислорода в воде существенно повышает ее коррозийную активность, приводящую к быстрому износу оборудования. 
 
Десорбция газов из воды и абсорбционных растворов реализуется в настоящее время в аппаратах малой интенсивности, имеющих, естественно, большие габариты. В этой связи создание аппаратов интенсивного действия позволит существенно уменьшить габариты аппаратов и, соответственно, их стоимость, а также обеспечить заданную степень деаэрации воды. 
 
Например, необходимо отметить, что процесс термической десорбции кислорода из воды паром является сложным процессом, зависящим от многих факторов. Во-первых, с целью повышения экономичности процесса, расход пара должен быть таким, чтобы нагреть воду до достаточно высоких температур (более 950 oС), а также быть достаточным, чтобы иметь развитую поверхность контакта между фазами и, в то же время, остаточное "вентиляционное" содержание пара должно быть небольшим, но достаточным для вывода из аппарата десорбированных газов. Остаточное несконденсированное содержание пара необходимо для того, чтобы не осуществлялась обратная сорбция О2 и дополнительное насыщение входящей воды кислородом при противоточном принципе работы десорбера. 
 
Применение вихревых пакетных насадок для процесса десорбции кислорода из воды показало, что остаточное содержание кислорода составляет 2-3 кг/1000 кг воды в сравнении с 5-8 кг/1000 кг воды в существующих в настоящее время струйно-барботажных десорберах. 
 
Другим достоинством пакетных вихревых насадок является уменьшение габаритов аппарата, по сравнению с имеющимся, в 6-8 раз при той же эффективности десорбции кислорода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    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.

 


         Gп.г.с  Вода 4


   II


                            Gп G0 Gк


             I                   Gc 


                                                        5                                  3


     6                    Gж


 

    1                         G’п               Пар


 Gж


   2


 G’ж



 Ар 


 

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




 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    1. 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: