Proiectul_tehnologic_al_unei_instalatii.docx

PROIECTUL TEHNOLOGIC AL UNEI INSTALAŢII DE ELIMINARE A DIOXIDULUI DE CARBON PRIN ABSORBŢIE ÎN SOLUŢIE APOASĂ DE DEA

TEMA: Să se întocmească proiectul tehnologic al unei instalaţii de eliminare a CO2 prin absorbţie în soluţie apoasă de DEA. Date de intrare: Gazul impurificat: ETAN Debit de alimentare: 120000 Nm3/zi Concentraţia CO2: intrare: 7% vol ieşire/grad de absorbţie: 0,97 Concentraţia soluţiei apoase de DEA: 20% masă Gradul de încărcare al absorbantului sărac: 0,05 kmol CO2/kmol DEA Parametrii de lucru in coloana de absorbţie: Presiune:5 bar Temperatura de intrare gaz impurificat: 29 ºC Temperatura de intrare absorbant sărac: 33 ºC Parametrii de lucru în coloana de desorbţie: Presiune la vârf: 1,3 bar Presiune la bază: 1,6 bar Temperatura în refierbător: 115 ºC Temperatura refluxului: 60ºC Ratia de reflux: 3:1 Tipul de colonă de absorbţie: echipată cu talere cu supape Tipul de coloană de desorbţie: : echipată cu talere cu supape Se cere să se determine:     

Bilanţurile materiale pe cele două coloane Bilanțurile termice pe cele două coloane Inălțimea și diametrul celor două coloane Necesarul de utilităţi Pierderile de amină şi apă

Se va alcătui schema tehnologică şi de automatizare a instalaţiei

CUPRINS 1. Proiectarea tehnologica a coloanei de absorbtie.......................................................5 1.1. Calculul debitelor si concentratiilor din coloana de absorbtie.....................................5 1.1.1. Debite si concentratii in fluxul de gaz bogat la intrarea in coloana..............7 1.1.2. Debite si concentratii in fluxul de gaz sarac la iesirea din coloana..............7 1.1.3. Debite si concentratii in absorbantul sarac la intrarea in coloana.................7 1.1.4. Debite si concentratii in absorbantul bogat la iesirea din coloana................8 1.2. Bilantul termic pe coloana de absorbtie.......................................................................8 1.3. Determinarea numarului de talere teoretice din coloana de absorbtie.......................10 1.4. Dimensionarea coloanei de absorbtie........................................................................ 11 1.4.1. Diametrul coloanei......................................................................................11 1.4.2. Inaltimea coloanei ......................................................................................12 1.5. Calculul pierderilor de absorbant.............................................................................. 13

2. Proiectarea tehnologica a coloanei de desorbtie.....................................................14 2.1. Bilantul termic si regimul de temperaturi...................................................................14 2.2. Determinarea numarului de talere teoretice din coloana de desorbtie........................16 2.3. Diametrul coloanei de desorbtie.................................................................................18 2.3.1. Calculul diametrului in zona superioara......................................................18 2.3.2. Calculul diametrului in zona inferioara...................................................... 20 2.4. Calculul schimbului termic absorbant sarac-absorbant bogat....................................21 2.5. Determinarea necesarului de apa de racire la racitorul suplimentar...........................21

2.6. Determinarea necesarului de apa la condensatorului coloanei de stripare.................21 2.7. Determinarea necesarului de abur saturat la refierbator.............................................22

Generalități: Proiectarea tehnolohică a instalațiilor de eliminare a hidrogenului sulfurat sau dioxidului de carbon din fluxuri de gaze prin absorție în soluții apoase de monoetilenamină (MEA) sau dietanolamină (DEA). Schema tehnologică a instalației clasice de eliminare a gazelor acide:

Proiectarea tehnologică se referă la determinarea numărului de talere teoretice necesare absorbției și respectiv desorbției hidrogenului sulfurat sau dioxidului de carbon, la calculul diametrelor și inălțimilor coloanelor 1 și 4 din figură. În final se estimează necesarul de agenți termici pentru aparatele de schimb de căldură din instalație.

1. PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE ABSORBȚIE Proiectarea tehnologică a unei astfel de coloane constă în stabilirea necesarului de echilibre, a diametrului și a înălțimii. 1.1.

Calculul debitelor și concentrațiilor în coloana de absorbție

Operația de absorbție are rolul de a elimina din fluxul de gaz impurificat, dioxidul de carbon folosind ca absorbant soluție apoasă de DEA 20% masă. Fluxurile din coloana de absorbție și concentrațiile lor sunt prezentate în figura 1:

În figura 1 semnificația simbolurilor este: G0 - debitul de gaz purtător (etan), kmol/h; L0- debitul de absorbant (DEA), kmol/h; Yn+1,Y1 – concentrațiile solutului (CO2) în gazul purtător (etan), kmol solut/kmol gaz purtător la intrarea, respectiv la ieșirea din coloană; X0,Xn- concentrațiile solutului (CO2 ) în absorbant (DEA), kmol solut/kmol absorbant la intrarea, respectiv la ieșirea din coloană; Tn+1,T1- temperaturile fluxului de gaz la intrarea, respectiv la ieșirea din coloana de absorbție; T0,Tn- temperaturile fluxului de absorbant la intrarea, respectiv la ieșirea din coloana de absorbție. Din datele de intrare se calculează debitul molar G0 şi concentraţiile Yn+1, Y1. Concentraţia Xn se alege astfel încât la determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică să rezulte un număr rezonabil de talere (2-3 talere). Debitul molar L0 se calculează prin bilanţ material în jurul coloanei de absorbţie (contur I ) din figura 1. În continuare se calculează debitele parţiale ale componenţilor în fiecare flux la intrarea şi ieşirea din coloană şi concentraţiile componenţilor în fracţii molare. Din datele de intrare se calculează debitul molar de gaz impurificat:

GT 

120000  223,21 kmoli/h 22,4 * 24

Cunoscând concentraţia CO2 în gazul bogat, respectiv a gazului purtător (etanul) se calculează debitul molar de CO2, respectiv de etan: n1 GCO  GT * yCO2  223,21* 0,07  15,62 kmoli/H2S 2

G0  GT * ye tan  223,21* 0,93  207,58 kmoli/h Se calculează raportul molar Yn 1 : Yn1 

0,07  0,075 kmoli CO2 1  0,07

yCO2 

Yn1 0,075   0,070 fr. mol 1  Yn1 1  0,075

Din relaţia de definiţie a gradului de absorbţie se calculează raportul molar Y1 :



Yn1  Y1 *100  Y1  (1   ) * Yn1  Y1  (1  0,97) * 0,075 Yn1

Y1  0,00225 kmol CO2/kmol gaz purtator

Concentrația CO2 în absorbantul sărac se cunoaşte din datele de proiectare X 0 =0,05 kmoli CO2 /kmol DEA, iar concentraţia X n se alege astfel încât la determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică să rezulte un număr rezonabil de talere (vezi graficul din anexa 1): Se consideră Xn=0,4 kmoli CO2 /kmol DEA. Debitul molar de absorbant L0 se calculează prin bilanţ material în jurul coloanei de absorbţie conturul 1 din figura 1:

Yn1  Y1 Xn  X0 0,075  0,00225 L0  207,58 *  L0  43,15kmoli / h *105,14  4536,47 kg/h DEA 0,4  0,05

L0  G0 *

Se calculează debitele parţiale ale componenţilor în fiecare flux la intrarea şi ieşirea din coloană şi concentraţiile componenţilor în fracţii molare: 1.1.1. Debite și concentrații în fluxul de gaz bogat la intrarea în coloană

G0  207,58kmoli / h  207,58 * 30  6227,4 kg/h n1 GCO  15,62kmoli / h  15,62 * 44  687,28 kg/h CO2 2

n1 GT  G0  GCO  6227,4  687,28  6914,68 kg/h gaz bogat 2

1.1.2. Debite și concentrații în fluxul de gaz sărac la ieșirea din coloană

G0  207,58kmoli / h  207,58 * 30 =6227,4 kg/h 1 GCO  G0 *Y1  207,58 * 0,00225  0,467 kmoli/h 2

1 GCO  0,467 * 44  20,55 kg/h CO2 neabsorbit 2 1 G1  G0  GCO  207,58  0,467  208,05 kmoli/h gaz sărac 2 1 G1  G0  GCO  6227,4  20,55  6247,95 kg/h gaz sărac 2

y1 

0,467  0,00225 fr.molare.CO2 207,58  0,467 20/105,14

XDEA= 80

20 + 18 105,14

=0,0410 fr molare DEA

XH2O=1-xDEA =1-0,0410=0,959 fr molare H2O 1.1.3. Debite și concentrații în absorbantul sărac la intrarea în coloană

L0  43,15kmoli / h *105,14  4536,79 kg/h DEA Cunoscând concentrația soluției de amină (20% masă) se poate calcula debitul de soluție apoasă de DEA:

L0  4536,79 *

100  22683,95 kg/h sol DEA 20

Soluția apoasă de DEA este alcătuită din: 4536,79 kg/h DEA și 22683,95-4536,79=18147,16 kg/h apă.

L1CO2  L0 * x0  105,611* 0,06  2,16 kmoli/h CO2

L1CO2  2,16 * 44  95,04 kg/h CO2 L10 s  L0  L1CO2  43,15  2,16  45,31 kmoli/h absorbant sărac L10s  L0 s  L1CO2  22683,95  95,04  22778,99 kg/h soluție absorbant sărac 1.1.4. Debite și concentrații în absorbantul bogat la ieșirea din coloană

LnCO2  L0 * xn  43,15 * 0,4  17,26 kmoli/h LnCO2  17,26 * 44  759,44 kg/h H2S Ln0 S  L0  LnCO2  43,15  17,26  60,41 kmoli/h

Ln0s  L0s  LnCO2  22683,95  759,44  23443,39 kg/h soluție de absorbant bogat 1.2.

Bilanțul termic pe coloana de absorbție

Se estimează temperaturaT1, respectiv temperatura Tn:

T1  T0  (5...10)  33  7  40C Tn  Tn1  (10...30)  29  12  41C Bilanţul termic se efectuează pe conturul I din figura 1 şi are ca scop determinarea temperaturii Tn din baza coloanei de absorbţie şi a temperaturii medii:

G0n1  H GTn01  G n1  H Tn 1  L0 S  hLT00  G01  H GT10  G1  H T1  G R  h Tn  L0S  hLT0n unde: G0n1 ,G01 reprezintă debitul de gaz purtător (etan) la intrarea/ieşirea din coloană, kg/h;

H GTn0 1 , H GT10 - entalpia în fază vapori a gazului purtător la temperatura Tn+1, respectiv T1, kJ/h; n1

11 - debitul de CO2 la intrarea/ieşirea din coloană, kg/h; GCO 2 ,GCO 2

Tn1 T1 - entalpia în fază vapori a CO2 temperatura T n+1, respectiv T1, kJ/h; H CO , H CO 2 2

L0 S - debitul soluţiei de absorbant sărac, kg/h; hLT0 , hLTn - entalpia în fază lichidă a absorbantului la temperatura T0, respectiv T n, kJ/h; 0

0

R - debitul de CO2 absorbit, kg/h; GCO 2 Tn -entalpia în fază lichidă a CO2 absorbit la temperatura T n, kJ/h; hCO 2

Temperatura Tn se verifică cu relația de bilanț termic, în care debitele fluxurilor implicate au fost calculate anterior, și anume:

G0  207,58 kmoli/h = 6227,4 kg/h

L0 s  22683,95 kg/h sol DEA R GCO  G0 * (Yn1  Y1 )  207,58 * (0,075  0,00225)  15,10 kmoli/h 2

R GCO  15,10kmoli / h * 44  664,46 kg/h CO2 reacționat 2

Căldura specifică medie izobară a gazului purtător (etanul), C pG0 se calculează la temperatura medie aritmetică între T1 si Tn+1:

C Tp  A  B  T  C  T 2  D  T 3 Unde: A, B, C, D – sunt constante specifice gazului purtător (etanul) care sunt tabelate în literatură [5]. A=180,395 B=5,93510 C=-2,31205*10-3 D=2,90436*10-7 T=(T1+Tn+1)/2=(40+29)/2=34,5ᵒC=307,65 K Aplicând relația, se obține: Cp etan32,5 ᵒC=1,80 kJ/kg*K.

Căldura specifică medie a soluției de absorbant C pL0 se citește din grafice din literatură [7] la temperatura medie aritmetică între T0 și Tn. T=(T0+Tn)/2=(33+41)/2=37ᵒC Se obține: CP37L 0,5  3,81kJ / kg * C . Căldura de reacție a CO2 cu DEA se citește din tabele din literatură [7] și se obține: H R =1190 kJ/kg

Se calculează Tn cu relația:

Tn  Tb  Tn 

G R * H R  L0 s * c pL0 * T0  G 0 * c pG0 * (T1  Tn 1 ) L0 s * c pL0

664,46 *1190  22683,95 * 3,81* 33  6227,4 *1,80 * (40  29)  40,72C 22683,95 * 3,81

Valoarea temperaturii în baza coloanei de absorbție obținută cu relația lui T n este în bună concordanță cu valoarea presupusă Tn  41C și deci calculul temperaturii T n se consideră încheiat. Se calculează temperatura medie pe coloană ca medie aritmetică între:

Tm  1.3.

T1  Tn 40  41   40,5C 2 2

Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de absorbție

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată [4;7;9;10] şi se parcurg următoarele etape: 

la temperatura medie pe coloană și pentru valori de X cuprinse între X 0 și X n se citesc din grafice din literatură [7] valorile presiunii parțiale CO2



din legea lui Dalton se calculează fracțiile molare ale CO2 care apoi se transformă în rapoarte molare Y;



curba de echilibru Y – X se reprezintă în grafic semilogaritmic;



din calculele anterioare se fixează coordonatele punctelor prin care trece dreapta de operare: A(0,05;0,00225) și B(0,4;0,0753). Abscisa punctului B( X n ) se alege prin încercări succesive astfel incât să se obțină 2-3 talere teoretice. Se alege X n  0,4 kmol CO2 /kmol DEA;

Calculul curbei de echilibru pentru coloana de absorbție

X

PCO2 ; bar

y

PCO2

Y

P

y 1 y

X0=0,05

6*10-5

1,2*10-5

1,2*10-5

0,1

2,5*10-4

5*10-5

5*10-4

0,2

1,5*10-3

3*10-4

3*10-4

0,3

4*10-3

8*10-4

8*10-4

Xn=0,4

8*10-3

1,6*10-3

1,6*10-3



pentru reprezentarea dreptei de operare în grafic semilogaritmic sunt necesare și alte puncte intermediare în afara punctelor extreme A și B. În ecuația dreptei de operare se dau valori lui X între X 0 și X n și se calculează valorile lui Y;

Calculul curbei de operare pentru coloana de absorbție X, kmol CO2/kmol DEA



Y, kmol CO2/kmol g.p.

X0=0,05

Y1=0,00225

0,1

0,0127

0,2

0,0335

0,3

0,0544

Xn=0,4

Yn+1=0,0753

se reprezintă în același grafic, în coordonate Y – X, atât curba de echilibru cât și curba de operare și se duc orizontale și verticale pornind de la punctul B la punctul A. Numărul de orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbția respectivă. S-au obtinut 1 taler teoretic.

1.4.

Dimensionarea coloanei de absorbție

1.4.1. Diametrul coloanei Coloana de absorbţie este echipată cu talere cu supape,iar calculul diametrului se face conform metodologiei Glitsch. GT=Vg=6915,18kg/h gaz impurificat L0Sn =Lg=23526,83 kg/h soluţie absorbant bogat Pentru determinarea debitului volumic de gaz bogat este necesar calculul masei molare medii: V  M CO2 * yCO2  M e tan * (1  yn1 ) V  44 * 0,0753  30 * (1  0,0753)  31,05kg / mol

Densitatea fazei vapori la intrarea în coloană se calculează cu relația:

V 

P * V R * Tn 1

V 

6 * 31,05  6,19 kg/m3 0,083 * (273,15  29)

Debitul volumic de vapori : V=

6915,18  0,083 m3/s 6,19 * 3600

Densitatea soluției de DEA la ieșirea din coloană se citește din grafice din literatură (se neglijează contribuția CO2 absorbit la densitatea soluției de absorbant): ρl=1015 kg/m3. Se calculează debitul maxim de vapori corectat: 6,19

Vc=V*(ρv/(ρv-ρl))0,5=0,083*(1015−6,19)0,5=0,024m3/s Se calculează debitul volumic de soluție de absorbant: Ln

23526,83

0s L=60∗ρ = 60∗1015 =0,386 m3/min l

Din grafice de literatură se citește CAF pentru ρv=6,19kg/m3 și s=0,609m se obține:CAF=0,46 Se aplică relațiile: L

B=0,05575NP∗FÎ∗FS∗CAF L

3,28∗V

c C=30∗v + FÎ∗FS∗CAF d

0,386

B=0,055751∗0,7∗0,73∗0,46=0,0916 0,386

3,28∗0,024

C=30∗0,05 + 0,7∗0,73∗0,46=0,597

Unde NP=număr de pasuri=1; FÎ=factor de înecare=0,7; FS=factor de sistem=0,73; CAF=coeficient de capacitate; vd=viteza lichidului în deversor=0,05. B+(B2 +3,14C)0,5 0,0916+((0,09162 +3,14∗0,597)0,5

Dc=

1,571

=

1,571

=0,93 m.

1.4.2. Înălţimea coloanei Înălțimea coloanei de absorbție echipată cu talere cu supape se calculează cu relația: Îc=(NTR-1)*s+Îv+Îb Unde: NTR=numărul de talere reale din coloană,se calculează după calculul eficacității medie globale. În lipsa datelor generale de eficacitate Em sau a unor relații care să înglobeze efectul tuturor factorilor care influențează eficacitatea talerelor, se recomandă ca Em să se

estimeze în jur de 15%; s- distanța între talere, se alege 0,4-0,6 m; Îv- înălțimea de la ultimul taler la vârful coloanei, se alege 0,75- 1 m [8]; Îb- înălțimea de la baza coloanei la primul taler din bază,se alege l-1,5m [8]. N 1 NTR=E t =0,15 =6,67 ≈7 talere reale m

Îc=(7-1)*0,6+1+1,5=6,1m. 1.5.

Calculul pierderilor de absorbant

La vârful coloanei de absorbție au loc pierderi de absorbant datorită antrenărilor cu gaz inert. Aceste pierderi se calculează cu relaia:

L p  G1 *

K apa * x apa  K DEA * x DEA 1  ( K apa * x apa  K DEA * x DEA )

Debitul molar de gaz purificat de la vârful coloanei de absorbție, precum și fracțiile molare ale apei și DEA în amestecul absorbant sunt calculate anterior. Constantele de echilibru ale apei și DEA în amestecul absorbant la temperatura și presiunea de la vârful coloanei s-au citit din grafice. Kapă=1,4773*10-2 KDEA=7,5897*10-7

Lp  208,058 *

1,4773 *102 * 0,959  7,5897 *107 * 0,0410  2,99 kmoli/h 1  (1,4773 *102 * 0,959  7,5897 *107 * 0,0410)

Fracțiile molare în fază vapori se calculează cu relația: yi=Ki*xi

yapă  1,4773 *10 2 * 0,959  0,0142 fr.molare y DEA  7,5897 *10 7 * 0,0410  0,3115 *10 7 fr.molare Pierderile din fiecare component al absorbantului sărac se calculează cu relațiie:

LPapă  ( Lp  G1 ) * yapă  (2,99  208,058) * 0,0142  2,989kmoli / h LPapă  2,989 *18  53,82kg / h LPa min ă  ( L p G1) * y DEA  (2,99  208,58) * 0,3115 *10 7  6,57 *10 6 kmoli / h LPa min ă  6,57 *10 6 *105,14  6,91*10 4 kg / h