МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА

КАФЕДРА ГАЗОХИМИИ

ГРИГОРЬЕВА Н.А., ЖАГФАРОВ Ф.Г.

Расчет установки очистки газа от кислых компонентов растворами алканоламинов

Методические указания по выполнению курсового проектирования по курсу Газохимия

(Технология углеводородных газов)

Под редакцией проф. Лапидуса А.Л.

Москва - 2011

1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Курсовой проект по технологии углеводородных газов выполняется в соответствии с учебным планом и имеет своей целью закрепление студентами знаний, полученных при изучении теоретического курса, более глубокое ознакомление с технологией конкретных производств, приобретение навыков по расчету и проектированию технологических установок и основных аппаратов.

Курсовой проект оформляется в виде расчетно-пояснительной записки и технологической схемы процесса, выполненной в формате А1[1] .

Исходными данными для выполнения курсового проекта являются материалы первой производственной практики на установке аминовой очистки углеводородных газов, а также литературные данные.

2 СТРУКТУРА РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ

Титульный лист (приложение 1)

Оглавление

Введение (1-2 стр.)

Назначение процесса

1. 
   Очистка углеводородных газов от кислых примесей (литературный обзор) 10-12 стр.
   
   1. 
      Краткая характеристика кислых примесей
      
   2. 
      Классификация способов очистки и их распространенность
      
   3. 
      Очистка газов растворами алканоламинов
      

1.3.1 Характеристика абсорбентов

1.3.2 Физико-химические основы процесса

1.3.3 Технологическое оформление

1.3.4 Области использования очищенного газа

2. Расчет установки аминовой очистки

2.1 Технологическая схема процесса

Приводится технологическая схема на формате А4 и ее описание с указанием технологических режимов работы основных аппаратов (данные производственной пректики).

2.2 Исходные данные для проектирования

2.3 Расчет материальных балансов процесса по стадиям

2.4 Расчет тепловых балансов аппаратов (по заданию преподавателя – руководителя курсового проекта)

2.5 Расчет основного оборудования (по заданию преподавателя – руководителя курсового проекта)

Литература


2.2 Исходные данные

1. Годовая производительность установки по исходному газу (или по очищенному газу) – задается руководителем курсового проекта

2. По материалам производственной практики принимается:

• 
  число дней работы установки в году, n;
  
• 
  состав исходного и очищенного газов (содержание кислых компонентов в очищенном газе может приниматься исходя из требований ГОСТа )
  
• 
  состав абсорбента;
  
• 
  соотношение абсорбент : очищаемый газ;
  
• 
  основные параметры работы аппаратов и оборудования (температура, давление и т.п.)
  
• 
  доля амина, подаваемого на разные тарелки абсорбера от общего количество регенерированного амина (может задаваться преподавателем)
  

2.3 Расчет материальных балансов

2.3.1 Материальный баланс абсорбера
1. Часовая производительность установки по исходному газу, нм³/ч

где: V_год – годовая производительность установки по исходному газу, нм³/ч;

 - число часов работы установки в год, ч
2. Количество очищенного газа
а) суммарное количество кислых компонентов в очищенном газе,

, нм³/ч

где: – суммарная объемная доля СО₂ и H₂S в очищенном газе;

- суммарный объем углеводородов и азота в очищенном газе, нм³/ч
б) количество очищенного газа

+, нм³/ч
3. Рассчитывают составы исходного и очищенного газа (таблица 1)

Таблица 1

Компоненты	Исходный газ					Очищенный газ
	нм3/ч	% об.	=М i/ 22,4/	кг/ч	% масс	нм3/ч	% об.		кг/ч	% масс
Итого	V	100			100		100			100

4. Расчет статей прихода и расхода раствора амина

4.1 Приход раствора амина в абсорбер в значительной степени зависит от выбранной технологической схемы. Так, в различные точки абсорбера могут быть введены различные количества раствора с различной степенью регенерации. В этом случае расчет проводят следующим образом:

Из стехиометрических соображений, учитывая, что реакция аминов с СО₂ идет только на половину, уравнение баланса в системе будет выглядеть так:

где G_1рр, G_2рр - расход раствора амина в первую и вторую точку абсорбера, кг/ч;

ma^1р, ma^2р - мольная доля свободного амина в регенерированном растворе по отношению к суммарному, моль/моль;

mа^1н, ma^2н – мольная доля свободного амина в насыщенном кислыми компонентами растворе, моль/моль;

q_1а, q_2а – суммарная концентрация амина в растворах вводимых в 1-ю и 2-ю точки абсорбера; % масс. принимаем, что q_1а = q_2а (как обычно)

Принимают, что

ma^1р<1 и ma^2р < 1, G_1рр + G_2рр = G_рр ; G_1рр = ₁Gрр; G_2рр = (1-₁)Gрр,

где: G_рр- общий расход амина, кг/ч

 - доля амина, подаваемого на верхнюю тарелку абсорбера от общего количество регенерированного амина

Общий расход раствора амина

Gрр = , кг/ч.

Если химическое насыщение раствора амина приближается к единице, то суммарное насыщение превышает единицу, и необходимо учесть количество физически абсорбированных кислых компонентов. При этом следует использовать эмпирические соотношения по данным растворимости H₂S и СО₂ в воде при температуре 10 – 100 С до парциального давления 2 МПа.

, кг/ч , кг/ч

где: Р – общее давление в абсорбере, МПа,

Ma – молекулярная масса амина;

t - температура абсорбции, С.

Приход аминового раствора с учетом химической и физической сорбции кислых компонентов:

=

По практическим данным принимаем:

(t , С (температура в абсорбере); Р , МПа (давление в абсорбере), q_1а=q_2а=28%, ₁ , ma^1р = 0,98, ma^2р = 0,94; ma^1н= ma^1н=0).

4.2 При расчете статей расхода вычисляется унос водяных паров и паров амина с очищенными газами и унос углеводородов с насыщенным раствором амина.

В соответствии с уравнением Менделеева- Клапейрона, унос воды G^г_Н2О и амина G^г_а будут равны:

G^г_Н2О = 10^-3 кг/ч

G^г_а = 10^-3, кг/ч

где Р_Н2О – парциальное давление паров воды над растворами аминов, Па;

Р_а – парциальное давление паров аминов над их водными растворами, Па.

Используя приложение 2 находим Р_Н2О

Давление паров амина Р_а находим по приложению 3.
Находим мольную долю амина в растворе:

С_а = моль/моль.

Уносом ДЭА за счет испарения можно пренебречь.

Унос углеводородов оценивается по растворимости метана в воде.

Пользуясь приложением 4 находим растворимость метана в воде при температуре и давлении абсорбции

кг/с

Таким образом расход влажного отходящего газа составит:

G^о_вл.г.= G^о_г- G^о_СН4+ G^г_Н2О + G^г_а кг/ч.

Расход сухого очищенного газа с учетом потери с раствором амина составит:

G^о_с.г.= G^о_г-G^нр_СН4 кг/ч.

Расход воды с насыщенным раствором амина снизится на величину уноса паров воды с отходящими очищенными газами и механического уноса.

G^нр_Н2О = G^рр_Н2О - G^г_Н2О – 0,72G^мех_рр кг/ч

Где G^мех_рр= 0,009 (кг/с) (принимается по практическим данным, перевести в кг/ч)

Расход амина также уменьшится на величину уноса с отходящими газами и механического уноса.

G^нр_а = G^рр_а - G^г_а – 0,28G^мех_рр кг/ч.

На основании полученных данных составляем материальный баланс абсорбера (табл.2 ):

Таблица 2

5. Материальный баланс абсорбера

Статьи прихода/расхода
Статьи прихода	кг/ч	% масс	нм3/ч	% об
Исходный газ в том числе: углеводороды сероводород окись углерода Регенерированный раствор амина: в том числе: амин Вода
ИТОГО		100		100
Статьи расхода	кг/ч	% масс	нм3/ч	% об
1. Влажный отходящий газ в том числе: сухой отходящий газ водяные пары 2. Механический унос раствора амина Насыщенный раствор амина: в том числе: амин Н2О Н2S СО2 Углеводороды
ИТОГО		100		100

2.4 Тепловой баланс абсорбера

Тепловой баланс абсорбера составляется для определения температуры, при которой насыщенный раствор амина выводится с низа абсорбера.

1. 
   Уравнение теплового баланса
   

Q_пр=Q_рас

1.1 Приход тепла

Q_пр=Q₁+Q₂+Q₃

где: Q₁-количество тепла с поступающим на очистку газом;

Q₂-тепло с регенерированным раствором амина;

Q₃-тепло, выделяющееся при взаимодействии амина с кислыми компонентами

1.2 Расход тепла

Q_р= Q₄+Q₅

где: Q₄- тепло, уносимое очищенным газом из абсорбера;

Q₅- тепло, уносимое насыщенным абсорбентом из абсорбера

2. 
   Приход тепла
   

2.1 Количество тепла с поступающим на очистку газом

где: - количество поступающего на очистку газа, кг/ч;

- энтальпия исходной газовой смеси при температуре поступления в абсорбер, кДж/кг

Энтальпия газовой смеси вычисляется по формуле:

где - энтальпия смеси газов в идеальном состоянии, кДж/кг;

– поправка энтальпии на давление, кДж/кг.

Энтальпия идеальной газовой смеси рассчитывается по уравнению:

где – энтальпия компонентов газа, кДж/кг;

x_i- массовая доля компонентов газовой смеси

_{= или} = С_p(t)ⁱ * T

Значения констант А, В, С, D – приведены в [6]

Поправка энтальпии на давление рассчитывается по формуле:

где Т_пс.кр. – псевдокритическая температура смеси;

М_см – средняя молекулярная масса смеси;

– табличные функции от приведенных параметров [6];

w_см – фактор ацентричности смеси газов.

определяются в зависимости от приведенных давления Р_пр и температуры Т_пр

Т_пр = Р_пр =

Где: Т и Р – рабочие температура и давление;

Т_пс.кр и Р_пс.кр. – псевдокритические температура и давление

Псевдокритические температура и давление определяются по формуле:

Т_пс.кр. = y _i*T_крi Р _{пс кр}=  y_i *P_{кр i}

где T_крi - критическая температура i – го компонента [4-6]

P_{кр i}- критическое давление i-го компонента [4-6]

М_ср - средняя молекулярная масса смеси

М_см = y_i * M_i

Фактор ацентричности смеси определяется по формуле:

w_см = y_i* w_i

Результаты расчета сводят в таблицу 3

Таблица 3

Расчет псевдокритических параметров и фактора ацентричности исходной газовой смеси

компонент	Кг/ч	Молмасса	Кмоль/час	Мольная доля, yi	Ркр, МПа	Ткр, К	i	Ркр* yi	Ткр* yi	i* yi

2.2 Тепло, вносимое регенерированным абсорбентом

Q ₂= G _{рег. аб.}*C*t

Где: G _{рег. аб} – количество регенерированного абсорбента, кг/ч;

С – теплоемкость регенерированного раствора амина, 3,97 кДж/кг [9];

t – температура ввода регенерированного амина

2.3 Теплота хемосорбции H₂S и СО₂ раствором амина

где: - тепло, выделяемое при абсорбции H₂S кДж/ч;

- тепло, выделяемое при абсорбции СО₂ кДж/ч;

- количество поглощенного H₂S, кг/ч;

- количество поглощенного СО₂ кг/ч;

- удельная теплота абсорбции, 1905 кДж/кг;

- удельная теплота абсорбции, 1918 кДж/кг.

3. Энтальпия очищенного газа, выходящего из абсорбера рассчитывается аналогично п.2.1.

Далее по разности прихода и расхода тепла находим количество тепла, уносимое насыщенным абсорбентом, Q₅.

Теплопотери в окружающую среду принимаем в пределах 0,5-2 % в зависимости от климатических условий.

Зная количество насыщенного абсорбента и зависимость его теплоемкости от температуры, находим температуру насыщенного абсорбента,

Q ₅= G _{насыщ.. аб.}*C*t, тогда

С*t= Q₅/G _{насыщ. абс.}


3. Расчет основных размеров абсорбера
1. Диаметр абсорбера в наиболее нагруженном нижнем сечении рассчитывается по формуле:

D_н =

где _нр – плотность насыщенного раствора амина, кг/м³ ;

_г – плотность исходного газа, кг/м³;

-расход насыщенного абсорбента, кг/с

К₀ – Коэффициент зависящий от типа тарелки (для колпачковой желобчатой К₀ = 0,3; для клапанной К₀ = 0,4; для ситчатой К₀ = 0,45);

С – коэффициент, зависящий от расстояния между тарелками и условий процесса. (при расстоянии между тарелками 0,7 м для абсорберов С = 520).

Необходимое для расчетов значение _г вычисляется по формуле:

_г = _исх

где Р_н, Т_н – нормальные температура и давление; Р, Т – рабочие температура и давление; z – коэффициент сжимаемости.

, кг/м³

Значение z представлено как функция от приведенного давления Р_и.п. и приведенной температуры Т_п. [8]

2. Высота абсорбера рассчитывается по формуле:

Н_а = h₁ + H_т + h_{2 ,} м

где h₁ – высота верхней камеры; Hт – высота тарельчатой части; h₂ – высота нижней камеры.

По практическим данным принимается h₁=D_н ; h₂=1,5 D_н

Число тарелок в абсорбере n принимается по практическим данным

H_т=0,6*(n-1)

Литература

1. 
   П.С. Белов, И.Ф. Крылов, Б.П. Тонконогов “Методические указания по оформлению графической части курсовых и дипломных проектов”. М., 1975.
   
2. 
   Лапидус А.Л., Голубева И.А., Жагфаров Ф.Г. Газохимия, Часть I. Первичная переработка углеводородных газов. – М., 2004 г., 242 с.
   
3. 
   Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. – М.: Наука, 1972. – 720 с.
   
4. 
   Осинина О.Г. “Определение физико-технических и тепловых характеристик нефтепродуктов, углеводородов и некоторых газов.” М. 1986. Части 1,2.
   
5. 
   Технология переработки сернистого природного газа. Справочник. М: Недра, 2002, 517 с.
   
6. 
   Стал и др. Химическая термодинамика органических соединений, - М., «Мир», 1971 г. (или Рабинович В.А. Теплофизические характеристики веществ. Справочник. М: 1968.)
   
7. 
   Кузнецов А.А., Судаков Е.Н. Расчеты основных процессов и аппаратов переработки углеводородных газов. Справочное пособие. 1983.
   
8. 
   Викторов М.М. Методы вычисления физико-химических величин и прикладные расчеты. Л.: Химия, 1977, 360 с.
   
9. 
   Кемпбел Д.М. Очистка и переработка природных газов М.: Недра, 1977, 349 с.
   
10. 
    Лапидус А.Л., Голубева И.А., Жагфаров Ф.Г. Газохимия. Учебное пособие. М: 2008. – 450 с.
    

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Титульный лист

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА

им. И.М. ГУБКИНА

КАФЕДРА ГАЗОХИМИИ

курсовой проект

Расчет установки очистки газа от кислых компонентов растворами алканоламинов

Проверил: должность__________________ Ф.И.О._____________________ Оценка____________________

Выполнил: студент группы ________________________ Ф.И.О. ________________________

Москва 2005

Приложение 2
Давление паров воды над растворами этаноламинов (Па)

Концентрация амина, мольн. доли	Температура, 0С	МЭА	ДЭА	ТЭА
0.00	30	4246
	50	12530
	75	38157
	100	101300
0,25	30	2550	2430	2920
	50	8240	7170	8600
	75	29900	25500	27200
	100	84000	86200	88200
0,5	30	1490	1535	1760
	50	4960	5200	5430
	75	19200	19350	18800
	100	63800	61200	58200
0,75	30	706	573	862
	50	2370	2550	2740
	75	8140	8420	9900
	100	31300	28500	31400

Приложение 3

Давление паров аминов над их водными растворами (Па)

Концентрация амина, мольн. доли	Температура, 0С	МЭА	ДЭА	ТЭА
0.00	30	4	0,4	0,4
	50	13,33	1,333	1,333
	75	53,4	5,72	5,2
	100	168,0	20,0	17,3
0,25	30	9,33	1,333	0,666
	50	30,7	4,93	2,54
	75	121,5	21,3	10,4
	100	400,0	73,2	36,0
0,5	30	30,7	3,33	1,86
	50	106,7	13,33	6,66
	75	384,0	64,0	26,6
	100	1275,0	243,0	92,0
0,75	30	108	11,6	6,52
	50	441	48	22,6
	75	1840	221	93,6
	100	6680	842	322,0

Приложение 4
Растворимость метана в воде, β (см³/г Н₂О)

Давление,	Температура, оС
кг/см2	50	75	100	125	150
50	0,91	0,86	0,84	0,83	0,82
75	1,31	1,22	1,18	1,17	1,13
100	1,63	1,52	1,47	1,44	1,38
150	2,16	1,99	1,92	1,87	1,82