Расчет очистки газа

      1. Состав сырья. Для расчета регенерации поглотителя в десорбере необходимо знать химический состав насыщенного абсорбента при температуре t=90 °С и давлении в теплообменнике 6 (см. рис. 1.6). Принимаем давление в трубном пространстве теплообменника равным =0,196 МПа.

      Водный  раствор МЭА содержит СО₂ и H₂S в растворенном и химически связанном состояниях (см. табл. 1.12).

      Найдем  количества кислых компонентов, которые  образуются при разложении химических соединений по реакциям (5)–(8).   

      Константы химического равновесия для реакций  (5)–(8) запишем в фοрме, принятой в литературе [8, с. 246]:                                                           

       

        

        

         

где в  квадратных скобках – количества молей веществ.

      С учетом давления и протекания реакций  в растворе константы равновесия запишем так [9, с. 265]:

     

      

      

      

где  – общее число   молей в   реагирующей смеси;   Δn – разность  чисел молей продуктов и исходных реагентов в реакциях (5)– (8).

      Константа химического равновесия связана с изменением стандартного изобарного потенциала [10, с. 230]:

          

где – изменение стандартного изобарного потенциала j-ой реакции (j=5, 6, 7, 8), кДж/моль; R=8,315 кДж/(моль*К) – газовая постоянная; Т –температура реакции, К.

      Изменение изобарного потенциала реакции рассчитывается по уравнению [10, с. 232]:

         

где  – изменение энтальпии   образования,   кДж/моль;   ΔS° – изменение энтропии реакции, кДж/(моль*К).

      Рассчитаем  изменение изобарного потенциала для  реакции  (5):

         

при этом

   

    

где H_i и S_i – энтальпии образования и энтропии веществ   (см. табл.  1.11). Подставив в формулы числовые значения величин, получим:

откуда  k₅=0,935.

      Аналогичным образом получены числовые значения k₆=0,874, k₇=1,018, k₈=1,049.

      Обозначим число киломолей каждого вещества, полученного по реакции (5), через  х₅. Тогда для расчета равновесного превращения воспользуемся схемой (в дальнейшем ее запись опускается):

 

      Тогда в соответствии с найденным уравнением для константы химического равновесия k₅ запишем

      Методом подбора определяем х₅= 0,6836 кмоль. Уравнения для расчета х₆, х₇, х_8:

откуда  х₆=0,51'16 кмоль/ч; х₇=0,6647 кмоль/ч; х₈=0,4952 кмоль/ч.

      Для разложения х₅ (кмоль/ч) вещества, записанного в левой части стехиометрического уравнения (5)

надо  знать исходное количество сырья  для этой реакции (см. табл. 1.12). Оно равно =0,0276 кмоль/ч.

      По  реакции (5) разлагается

или

      Получено  по реакции (5):

      После реакции (5) в насыщенном  абсорбенте остается непрореагировавшим сырье  в количестве

      Для разложения (кмоль/ч) вещества, записанного в левой части стехиометрического уравнения (6)

имеем исходное количество сырья (см. табл. 1.12)

      По  реакции (6) разлагается:

или

      Получено  по реакции (6):

      В насыщенном  абсорбенте остается непрореагировавшим сырье в количестве

 

      Для разложения х₇ (кмоль/ч) вещества, записанного в левой части стехиометрического уравнения (7)

имеем исходное количество сырья (см. табл. 1.12)

      По  реакции (7) разлагается

или

      Получено  по реакции (7)

      Количество непрореагировавшего сырья

Для разложения х₈ (кмоль/ч) вещества, записанного в левой части стехиометрического уравнения (8)

имеем исходное количество сырья (см. табл. 1.12)

      По  реакции (8) разлагается:

или

      Получено  по реакции (8):

      Количество  непрореагировавшего сырья:

      В результате нагревания в теплообменнике состав сырья десорбера, найденный при расчете абсорбера (см. табл. 1.12), изменится. При вводе сырья в десорбер имеем:

      Расчет состава насыщенного абсорбента при его вводе в десорбер дан в табл. 1.15.

      Таблица  1.15. Расчет состава насыщенного абсорбента при его вводе в десорбер

 

      Средняя мольная масса сырья десорбера  из табл. 1.15

      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 Δt – разность температуры кипения t_кип раствора МЭА и температуры _tв в верхней части аппарата, °С.

      Величина  Δt выбирается так, чтобы соблюдалось неравенство температур

      Температура кипения насыщенного раствора при с 0,07 кмоль CO₂/кмоль МЭА определяется из графика (рис. 1.7); t_кип=119°С.

      Приняв  Δt=8°C, получим:

      Указанное выше неравенство температур выполняется:

      Для обеспечения движущей силы процесса регенерации раствора МЭА необходимо создать разность температур Δt₁ между нижней и верхней частями десорбера. При проектировании установок аминной очистки газов от кислых компонентов числовое значение Δt₁ принимают равным 10–20 °С.

      Принятие  больших числовых значений Δt₁ приведет к увеличению тепловой нагрузки испарителя 2 (см. рис.1.6), обеспечивающего теплом нижнюю часть десорбера. Одновременно увеличится тепловая нагрузка конденсатора-холодильника, обеспечивающего поддержание температуры t_в=lll°C.

      Рис.  1.7.    Зависимость  температуры  кипения  15%-ного раствора МЭА от содержания СО₂ в растворе при давлении в верхней части колонны π= 0,12 МПа.

      С учетом названных обстоятельств примем Δt₁=10°С. Тогда температура в нижней части аппарата равна

      С учетом термической стойкости раствора МЭА и для предотвращения коррозии оборудования давление в аппарате должно быть не выше π=0,167 МПа [14, с. 139]. Принимаем давление по высоте аппарата одинаковым и равным π=0,12 МПа; это не окажет существенного влияния на результаты дальнейших расчетов, так как перепад давления в десорбере зависит от числа и типа тарелок.

      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 выделением СО₂ и H₂S (см. с. 31). При подаче сырья в десорбер (t=90°C и π=0,12 МПа) происходит однократное испарение с образованием жидкой и паровой фаз.

      Мольная доля отгона е' исходного сырья и  составы фаз при температуре  t=90°C и давлении π=0,12 МПа рассчитываются аналитическим методом Трегубова путем подбора такого значения е', при котором удовлетворяются равенства:

и

Где n – число компонентов в исходном сырье; x'_i, y'_i,·– содержание i-гo компонента в жидкой и паровой фазах, образовавшихся при однократном испарении сырья, мольн. доли; π= 120 000 Па – давление в аппарате; с'_i– содержание i-го компонента в сырье (см. табл. 1.15), мольн. доли; P_i – давление насыщенного пара i-гo компонента, Па.

      Давления  насыщенных паров компонентов при  температуре t=90°C определены по следующим источникам:

 

      Ввиду отсутствия надежных данных давления насыщенных паров химических соединений кислых компонентов приняты равными  нулю.

      Значение  мольной доли отгона, которое удовлетворяет равенствам (9) и (10) определено методом постепенного приближения и равно е'=0,0242. Результаты расчетов составов жидкой и паровой фаз сырья, образовавшихся при однократном испарении, даны в табл. 1.16.

      Зависимость между массовой и мольной долями отгона имеет вид:

где, е  – массовая доля  отгона; М_у – мольная   (средняя)   масса паровой фазы, образовавшейся при однократном испарении.

      Расчет  средних мольных масс жидкой и  паровой фаз, образовавшихся при  однократном испарении сырья дан в табл. 1.17, где значения Σy'_i и Σx'_i приведены точно к единице путем распределения по компонентам невязок +0,000007 и –0,0000406 (табл. 1.16). 

      Таблица 1.16.  Расчёт мольной доли отгона сырья при подаче его в десорбер (t=90^oC, =120000 Па) 

 

 

      Таблица 1.17. Расчет средних мольных масс потоков, образовавшихся  в  результате  однократного  испарения  сырья

 

      Массовая  доля отгона равна:

      

      Количество  паровой и жидкой фаз, образовавшихся при однократном испарении сырья:

      4. Расчет разложения химических  соединений в испарителе. В результате однократного испарения сырья в жидком потоке Ош содержание кислых компонентов уменьшилось (табл. 1.18).

      Однако  в абсорбере осталось еще много  кислых компонентов в растворенном и химически связанном состоянии. Для дальнейшего разложения химических соединений кислых компонентов с абсорбентом его необходимо нагреть до температуры t_н=121°C, что обеспечивается подогреванием абсорбента в испарителе. Для расчета разложения химических соединений в" испарителе необходимо принять величину давления в межтрубном пространстве. Принимаем величину давления в испарителе =0,12 МПа.

      Расчеты химических разложений в испарителе (t_н =121°С, =0,12 МПа) подобны расчетам разложений химических соединений в теплообменнике (t=90°C, π = 0,196 МПа) и потому их подробности опущены; результаты представлены в табл. 1.19. Сравнение составов абсорбента после однократного испарения (см. табл. 1.18) и нагретого до температуры t_н=121°C (табл. 1.19) показывает незначительное его изменение.

      Объясняется это незначительным содержанием  химических соединений в подогреваемом  сырье и недостаточным его  нагревом. Известно, что при температуре выше 125°С моноэтаноламин разлагается. Поэтому регенерацию водного раствора МЭА при температуре выше 125°С не проводят. Подогрев абсорбента до температуры 125°С, как показывают расчеты, которые здесь опущены, не меняет заметно содержания (RNH₃)₂CO₃, RNH₃HCO₃, (RNH₃)₂S и RNH₃HS в абсорбенте. Поэтому в последующих расчетах процесса регенерации используют состав абсорбента, приведенный в табл. 1.19.

Таблица 1.18. Расчёт состава жидкой и паровой фаз сырья  

 

      

Таблица 1.19   Расчет состава абсорбента при температуре i*=121°C