-
1UNIVERSITATEA DE PETROL I GAZE PLOIETI
PURIFICAREA GAZELOR INDUSTRIALE
PROIECT DE SEMESTRUPROIECTAREA TEHNOLOGIC A UNEI INSTALA II DE
ELIMINARE ADIOXIDULUI DE CARBON PRIN ABSORB DE
MONOETANOLAMIN
COORDONATOR:SEF LUCR. DR. ING. MIHAELA NEAGU
STUDENT: David Georgiana Raluca ANUL IV, I.P.M, FR
-2013-
-
2CUPRINS
DATE DE INTRARE
1.PROIECTAREA TEHNOLOGIC A COLOANEI DE
ABSORBIE....................................4
1.1 Calculul debitelor i concentraiilor n coloana de
absorbie.....4
1.2 Bilanul termic pe coloana de absorbie...8
1.3 Determinarea numrului de talere teoretice din coloana de
absorbie...10
1.4 Dimensionarea coloanei de absorbie......13
1.4.1 Calculul diametrului coloanei de absorbie.13
1.4.2 Calculul nlimii coloanei de
absorbie...................................................................................14
1.5 Calculul pierderilor de
absorbant...............................................................................................15
2. PROIECTAREA TEHNOLOGIC A COLOANEI DE
DESORBIE..................................17
2.1 Bilanul termic,regimul de temperaturi i consumul de
abur..................................................17
2.2 Determinarea numrului de talere teoretice din coloana de
desorbie....................................20
2.3 Dimensionarea coloanei de
desorbie..........................................................................................25
2.3.1 Calculul diametrului coloanei de
desorbie.............................................................................25
2.3.2 Calculul nlimii coloanei de
desorbie...................................................................................27
2.4 Calculul schimbului termic absorbant srac-absorbant
bogat................................................27
2.5 Determinarea necesarului de ap de rcire la rcitorul
suplimentar......................................28
2.6 Determinarea necesarului de abur saturat la
refierbtor.........................................................29
BIBLIOGRAFIE.................................................................................................................................30
ANEXE.................................................................................................................................................31
-
3PROIECTAREA TEHNOLOGIC A UNEI INSTALAII DE ELIMINARE A
DIOXIDULUI DE CARBON PRIN ABSORBIE N SOLUIE APOAS DE
MONOETANOLAMIN
DATE DE INTRARE
Gazul impurificat: etan
Debit de alimentare: 310 000 Nm3/zi
Concentraia CO2 : intrare :10 % volum
grad de absorie: = 98%
Concentraia soluiei apoase de MEA:15% mas
Gradul de ncrcare al absorbantului srac: X0= 0,03 kmoli CO2/kmol
MEA
Parametrii de lucru n coloana de absorbie:
Presiune: 4 bar
Temperatura de intrare gaz impurificat: 26oC
Temperatura de intrare absorbant srac: 32oC
Parametrii de lucru n coloana de desorbie:
Presiune la vrf: 1,3 bar
Presiune la baz:1,5 bar
Temperatura n refierbtor: 115 oC
Temperatura refluxului: 60 oC
Raia de reflux : 3:1
Tipul de coloan de absorbie: talere cu supape
Tipul de coloan de desorbie: talere cu supape
Se cere s se determine:
Bilanurile materiale pe cele dou coloane Bilanurile termice pe
cele dou coloane Inlimea i diametrul celor dou coloane Necesarul de
utiliti Pierderile de amin i ap
Se va alctui schema tehnologic i de automatizare a
instalaiei
-
41.PROIECTAREA TEHNOLOGIC A COLOANEI DE ABSORBIEProiectarea
tehnologic a unei astfel de coloane const n stabilirea necesarului
de
echilibre teoretice, a diametrului i nlimii.
1.1 Calculul debitelor i concentraiilor fluxurilor din coloana
de absorbie
Operaia de absorbie are rolul de a elimina din fluxul de etan
impurificat, CO2-ul folosind
ca absorbant soluie apoas de MEA 15% mas.
Fluxurile din coloana de absorbie i concentraiile lor sunt cele
prezentate n figura 1.:
Fig.1 Fluxurile i simbolurile mrimilor specifice coloanei de
absorbie
-
5 n figura 1 semnificaia simbolurilor este:
G0 - debitul de gaz purttor (etan), kmol/h,
L0 debitul de absorbant (MEA), kmol/h;
Yn+1,Y1 concentraiile solutului (CO2) n etan, kmol solut/ kmol
g.p. la intrarea/ieirea din
coloan;
X0, Xn concentraiile solutului (CO2) n absorbant, kmol solut/
kmol absorbant
la intrarea/ieirea din coloan;
Tn+1, T1 temperatura fluxului de etan la intrarea/ ieirea din
coloan;
T0, Tn temperatura fluxului de absorbant la intrarea/ ieirea din
coloan.
Din datele de intrare se calculeaz debitul molar de gaz
impurificat:
zih24
kmolNm4,22
)zi
Nm(GG 3
3
T
T
kmoli/h64,576244,22
310000T G
Cunoscnd concentraia CO2 n gazul bogat,respectiv a gazului
purttor(etan) se
calculeaz debitul molar de CO2,respectiv de etan:
kmoli/h66,571,064,576G22 COCO
yGTkmoli/h98,518)1,01(64,576G
622 HC6HC0 yGG T
Se calculeaz raportul molar Yn+1:
6221
11 /111,01,01
1,01
HkmolCkmoliCOy
yY
n
n
n
sau
622tan
1 /111,098,51866,572 HkmolCkmoliCO
GG
Ye
COn
Din relaia de definiie a gradului de absorbie se calculeaz
raportul molar Y1:
1n11n
11n Y)1(Y100Y
YY
6221 /00222,0111,0)98,01( HkmolCkmoliCOY
-
6Concentraia CO2 n absorbantul srac se cunoate din datele de
proiectare
kmoliMEAkmoliCO
X 20 03,0 ,iar concentraia Xn se alege astfel nct la
determinarea numrului de talereteoretice prin metoda grafic s
rezulte un numr rezonabil de talere.
Se considerkmoliMEAkmoliCO
X n25,0 .
Debitul molar de absorbant L0 se calculeaz prin bilan material
pe componentul solut n
jurul coloanei de absorbie ,conturul I din figura1:
hMEAkmolXXYYGL
XLYGXYG
n
n
nn
/12,12003,05,0
00222,0111,098,518
L
0
1100
0100010
Se calculeaz debitele pariale ale componenilor n fiecare flux la
intrarea i ieirea din
coloan i concentraiile componenilor n fracii molare:
Debite i concentraii n fluxul de gaz bogat la intrarea n
coloan
totalgazh
kgG
COh
kghkmoli
HCh
kmoliG
n
44,1810604,25374,15569GG
04,25374466,57/66,57G
H.Ch
kg15569,43098,51898,518
2
2
CO0T
21
CO
62620
Debite i concentraii n fluxul de gaz srac la ieirea n coloan
21
101
101
22101
62620
00222,000222,01
00222,0y
sragazhkg09,1562069,504,15569
13,520152,189,518G
69,5044152,1152,100222,098,518
4,155693098,51898,518
2
2
2
COmolarefractii
GGG
hkmoliGG
COhkgCO
hkmoliyGG
HChkgHC
hkmoliG
CO
CO
CO
-
7Debite i concentraii n absorbantul srac la intrarea n
coloan
MEA32,7327kmol
kg6112,120L0 hkg
hkmoliMEA
Cunoscnd concentraia soluiei de amin (15% mas) se poate calcula
debitul de soluie
apoas de MEA:
MEAsol.aqhkg8,48848
1510032,73270 sL
Soluia apoas de MEA este alctuit din MEAhkg32,7327 i
apah
kmoliapa
hkg 75,2306
1848,41521.48,4152132,73278,48848
apmolfrxx
MEAmolfrx
LLL
saracabsorbantsolh
kmoliLLL
COhkgL
COh
kmolikmolMEAkmoliCO
hkmolMEAXL
MEAapa
MEA
COss
COs
CO
...950,00495,011
...0495,075,230612,120
12,120
saracabs.sol.hkg49007,24,1588,48848
..72,12360,312,120
4,1584460,3
60,303,012,120L
120
10
120
10
21
22
001CO
2
2
Debite i concentraii n absorbantul bogat la ieirea din
coloan
MEAhkg32,7327kg61
hkmoli12,120L0 kmol
2COn
220
nCO2
COhkg64,26424460,06L
06,605,012,120L
2
h
kmoliCOkmolMEAkmoliCO
hkmoliMEAXL n
-
82n
0n0s
0n0s
..375,012,12006,60
06,60x
abs.bogatsol.hkg44,5149164,26428,48848L
.kmoli180,1806,6012,120L
2
2
COmolfr
LL
bogatabsh
LL
n
COS
n
CO
1.2 BILANUL TERMIC PE COLOANA DE ABSORBIE
Din datele iniiale de proiectare se cunoate temperatura de
intrare a gazului impurificat,
Tn+1,respectiv a absorbantului srac,T0.
n funcie de acestea ,i pe baza indicaiilor din literatur,se
estimeaz temperatura la
vrful coloanei,T1,respectiv temperatura la baza
coloanei,Tn,astfel:
T1=T0+5.....100C
Tn=Tn+1+10.....300C
n scopul verificrii temperaturii Tn din baza coloanei de
absorbie,se efectueaz bilanul
termic pe conturul I din figura 1,conform urmtoarei relaii:
0221
22
1
0
0
0
1
22
1
0 011
0011n
0G LT
sCOCORT
COCOTG
TLs
TCO
n
COTG
nnn hLhGHGHGhLHGH unde: G0n+1,G01 debitul de gaz purttor la
intrarea/ieirea din coloan,kg/h;
1
0
1n
0
TG
TG H,H entalpia n faz vapori a gazului purttor la temperatura
Tn+1,respectiv T1,kJ/kg
22CO
R1CO G,G debitul de CO2 la intrarea/ieirea din coloan,kg/h;
1
2
1n
2
TCO
T,CO HH entalpia n faz vapori a CO2 la temperatura
Tn+1,respectiv T1,kJ/kg;
s0L debitul soluiei de absorbant srac,kg/h;
0
0
TLh , n0
TLh entalpia n faz lichid a absorbantului la temperatura
T0,respectiv Tn;
RCOG 2 debitul de CO2 absorbit, kg/h;
nTCOh 2 entalpia n faz lichid a CO2 absorbit la temperatura
Tn.
Considernd c att gazul purttor, ct i soluia de absorbant srac au
aceeai compoziie
la intrarea i ieirea din coloan, se poate scrie:
1n1p0TGTG0 TTcGHHG 0G1n010
-
9 0nps0TLTLs0 TTcLhhL 0L00n0 unde:
0Gpc cldura specific medie izobar a gazului purttor, kJ/kgC,care
se calculeaz cu relaii
din literatur
0Lpc cldura specific medie a soluie da absorbant srac,
kJ/kgC,care se citete din grafice
de literatur
De asemenea, innd seama de cldura de reacie HR i de faptul c
debitul de absorbant
la ieirea din coloan este foarte mic i se poate neglija, ecuaia
de bilan material se reduce la forma:
0nps01n1p0RR 2CO TTcLTTcGHG 0l0G Se obine astfel:
0L
0G0L
ps0
1n1p00ps0RR
2CObn cL
TTcGTcLHGTT
Se presupun:
T1=32+8=40 0C
Tn=26+28=540C
0Gpc se calculeaz cu urmtoarea relaie la temperatura medie
aritmetic ntre T1 i Tn+1 , n kJ/kgK
32T,0p TDTCTBAc
0G
unde: A, B, C, D-constante specifice gazului purttor (etanul) i
care sunt tabelate n literatur
KCTTT n 306332
26402
011
A=1,80395102
B=5,93510
C= -2,3120510-3
D= 2,9043610-7
1030690436,23061031205,230693510,5395,1807323306
0
KpGc
KkgJ
c KpG 37,1788306
0= 1,788 kJ/kgK
Cldura specific medie a soluiei de absorbant0lpc se citete din
grafice din literatur la
temperatura medie aritmetic ntre T0 i Tn, n kJ/kgC:
-
10
CTTT n 00 432
54322
00,4430CpLc kJ/kgC;HR =1920 kJ/kg se citete din tabele din
literatur
hkgYYGG nCO
R 8,24834445,56)00222,0111,0(98,518)( 1102 Rezult:
CTT bn
041,5400,48,48848299313788,14,1556930500,48,4884819208,2483
Temperatura presupus: Tn= 26+28 = 54C 54-54,41 =-0,41CFa de
valoarea presupus 54C, valoarea rezultat poate fi satisfctoare.
1.3Determinarea numrului de talere teoretice din coloana de
absorbie
Numrul de talere teoretice se determin prin metoda grafic
simplificat, bazat pe curba de
echilibru pentru sistemul CO2-MEA la presiunea din coloan i pe
dreapta de operare. Curba de
echilibru X-Y se calculeaz pornind de la valorile presiunii
pariale CO2 citite din grafice de literatur
pentru diferite valori de X i la temperatura medie pe coloana de
absorbie. Din legea lui Dalton se
calculeaz fraciile molare ale CO2 care se transform n rapoarte
molare Y.
Curba de echilibru X-Y se reprezint n grafic semilogaritmic.
Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraiile
fluxurilor n contracurent la
extremitile coloanei i anume punctul A (X0, Y1) i punctul B (Xn,
Yn+1). Concentraia Xn se alege
astfel nct prin plasarea corespunztoare a punctului B s rezulte
un numr rezonabil de talere
teoretice. Datorit faptului c valorile Y variaz pe un domeniu
foarte mare, reprezentarea grafic
exact n coordonate rectangulare necesit o dimensiune foarte mare
a graficului pe ordonat. De
aceea, n acest caz se apeleaz la graficul semilogaritmic unde
dreapta de operare devine o curb de
operare. Pentru reprezentarea ei sunt necesare i alte puncte
intermediare n afara punctelor extreme
A i B. Calculul lor se face cu ecuaia dreptei de operare dnd
valori lui X ntre X0 i Xn.
)5,0;03,0(),(
472
54402
0
01
XXXX
CTTT
n
n
m
-
11
Tabel nr.1.: Calculul curbei de echilibru pentru coloana de
absorbie (P=4 bar)
kmoliMEAkmoliCO
X 2,bar,P
2CO mol.fr,y 2CO62
2,HkmoliC
kmoliCOY
X0=0,03 910-7 2,2510-7 2,2510-7
0,1 1,210-5 310-6 310-6
0,2 7,910-5 1,9710-5 1,9710-5
0,3 2,510-4 6,2510-5 6,2510-5
0,4 1,610-3 410-4 410-4
0,5 710-3 1,7510-3 1,7510-3
P total =4 bar; ytotal
coCO P
P 22 ;
Curba de operare: Y= 10
)( nnO YXXGL
Unde: L0 =120,12 kmoliMEA/h
G0 =518,98 kmoli/h
Tabel nr.2: Calculul curbei de operare pentru coloana de
absorbie:
kmolMEAkmoliCO
X 2, 1nnGL YXXY 00 62
2,HkmoliC
kmoliCO
X0=0,03 Y1=1,2210-3
0,1 1,8410-2
0,2 4,1610-2
0,3 6,4710-2
0,4 8,7810-1
Xn=0,5 Yn+1=1,1110-1
-
12
Fig.2 Determinarea numrului de talere teoretice n coloana de
absorbie
-
13
1.4 DIMENSIONAREA COLOANEI DE ABSORBIE
1.4.1 Calculul diametrului coloanei de absorbie
Coloana de absorbie este prevzut cu umplutur clasic,
nestructurat (se aleg ineleRaschig de ceramic, de dimensiuni 25253
mm cu caracteristici recomandate de literatur.
Pentru determinarea debitului volumic de gaz este necesar
calculul masei molare medii cu
relaia:
kmolkgyMyMM nHCnCObogatg /4,31)1,01(301,044)1( 11. 622
Densitatea fazei vapori la intrarea n coloan se calculeaz cu
relaia:
31
06,5)26273(083,0
4,314m
kgTRz
MP
n
vv
s
mV3
994,0360006,5
4,3164,576
Densitatea soluiei de MEA la ieirea din coloan se citete din
grafice din literatur: la Tn
54C i 15%MEA 3994 mkg
l .
hkgLs
/44,514910 solu
min/863,06099444,51491 30 m
LL S
Viscozitatea cinematic a soluiei de MEA se citete din grafice
din literatur,la Tn =54 si 15% MEA i
se obine:s
ml
261075,0 .Viscozitatea dinamic a soluiei de absorbant bogat se
calculeaz cu relaia:
sm
kglll
46 1045,79941075,0 .
-
14
FS = 0,7 factor de spumare;
F= 0,5 factor de necare;
S=0,6;
NP= 1 numr de pasuri ;
L=debit de lichid, m/min ;
Vc=volumul corectat al vaporilor m/s ;
Vmax=debitul maxim de vapori la condiiile de temperatur i
presiune date, m/s ;
vd =viteza lichidului n deversor, m/s;
Vd= f(S) =f(0,6)= 0,118m/s
CAF=f( v ,s)= f(5,06; 0,6)= 0,42Vc= Vmax (
vl
v
)
5,0 =0,994(06,5994
06,5 )
5,0 =0,0711 m/s
Diametrul coloanei de absorbie se calculeaz cu relaia:
mCBBDc
CAFFSFNPLB
CAFFSFV
VLC c
d
75,1571,1
)83,114,3327,0(327,0571,1
)14,3(
327,042,07,05,01
863,005575,005575,0
83,142,07,05,0
0711,028,3118,030
863,028,330
5.025.02
1.4.2 Calculul nlimii coloanei de absorbie
nlimea coloanei de absorbie se calculeaz cu relaia:
col= (NR-1)S + vf + bz
vf = 1m; bz =1,5m.
-
15
Em=0,17-0,616log(10 l )=0,17-0,616log(107,4510 4 )=0,249
Em= talereNNN
RR
T 6,3249,09,0
col =(3,6-1)0,6+1+1,5=4,06 m
1.5 CALCULUL PIERDERILOR DE ABSORBANT
La vrful coloanei de absorbie au loc pierderi de absorbant
datorit antrenrilor cu gaz
inert.Aceste pierderi se calculeaz cu relaia:
n
iii
n
iii
p
xK
xKGL
1
11
1
unde: Lp debitul molar de absorbant(ap i amin) pierdut pe la
vrful coloanei de absorbie,kmol/h
G1 debitul de gaz purificat de la vrful coloanei de
absorbie,kmol/h
xi fracia molar a componentului i din amestecul absorbant
Ki constanta de echilibru a componentului i din amestecul
absorbant la temperatura i
presiunea de la vrful coloanei(p=3 bar, T1=35C)
950,0
0495,0
108348,1
102373,1
..13,520152,198,518G
2
2
2
2
4
101
OH
MEA
OH
MEA
CO
x
x
K
K
saracgazh
kmoliGG
-
16
23,9)95,0108348,10495,0102373,1(1
95,0108348,10495,0102373,113,520 2424
pL
Pierderile din fiecare component al absorbantului srac se
calculeaz cu relaiile:
Lp MEA= (Lp+G1) yMEA ; Lp ap= (Lp+G1) yap
hapakg
hkmoliapaL
hkgMEA
hkmoliMEAL
apap
MEAp
14,1661823,995,0108348,113,52023,9
198,0611024,30495,0102373,113,52023,9
2
34
-
17
2. PROIECTAREA TEHNOLOGIC A COLOANEI DE DESORBIE
2.1Bilanul termic,regimul de temperaturi i consumul de abur
Fig .3 Fluxurile i concentraiile lor n coloana de desorbie
n figura 3 semnificaia simbolurilor este :
Lo debitul soluiei de absorbant ,kmoli/h;
LR refluxul, concentrat n ap,kmoli/h;
Xn concentraia CO2 n absorbantul bogat, kmoli CO2 / kmol
MEA;
Xo concentraia CO2 n absorbantul srac, kmoli CO2 / kmol MEA;
YB concentraia CO2 n abur la ieirea din refierbtor, kmol
CO2/kmol abur ;
Yv concentraia CO2 n abur la ieirea din coloan, kmol CO2/kmol
abur;
Pentru determinarea temperaturii la vrful coloanei de desorbie
se pleac de la faptul c
n condiii de echilibru, presiunea parial a aburului (component
majoritar la vrful coloanei) este
egal cu presiunea de vapori a apei. Presiunea parial PCO2 este
dat de legea lui Dalton:
-
18
2COP = PVyabur =
TvapaP
unde: PV reprezint presiunea la vrful coloanei de desorbie, bar
(din datele
de proiectare);TvapaP presiunea de vapori a apei la temperatura
de vrf;
yabur reprezint fracia molar de abur calculat cu relaia:
RCOR
Rabur
2GL
Ly
LR debitul de reflux calculat cu relaia:RCOGR 2RL
R raia de reflux (din datele de proiectare);RCO2G - debitul de
CO2 absorbit, kmoli/h.
hapkg
hapkmoli
3,30481835,16935,16945,563LR
aburmolarefryabur .75,045,5635,16935,169
2COP = 1,30,75 = 0,975 bar = 0,975750 = 731,25 mmHg = TvapP
Temperatura la vrf se calculeaz cu relaia lui Antoine:
CTTTC
BA vvv
0Tvapa 9913,46
44,38163036,1825,731lnlnP
unde A,B,C reprezint constantele lui Antoine pentru ap
Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat n coloan este
egal cu temperatura de ieire
dup schimbul de cldur cu absorbantul srac de la baza coloanei de
desorbie, se estimeaz
conform literaturii;se alege Tf =800C.
Temperatura medie pe coloan se calculeaz ca media aritmetic ntre
temperatura din vrf i
temperatura din baz:
CTT bvm0107
211599
2T
Presiunea medie se calculeaz ca medie aritmetic ntre presiunea
din vrf i presiunea din baz:
barPP bvm 4,125,13,1
2P
Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbtorului, respectiv
consumul de abur VB, se
efectueaz un bilan termic pe coloana de desorbie conform
conturului I din figura 3:
-
19
B
os
V
22
V
o
R
R
f
22
f
os
TLs0
TCO
RCO
TV0B
TLR
TCO
RCO
TLs0 hLHGHVQhLhGhL
unde: fos
TLh entalpia soluiei de absorbant la temperatura Tf , kJ/kg;
0V debitul de vapori de ap de la vrful coloanei, kmol/h;
V
o
TVH entalpia vaporilor de ap la temperatura TV, kJ/kg;
RL debitul de reflux (ap), kmol/h (V0=LR);
R
R
TLh entalpia refluxului la temperatura TR, kJ/kg;
B
os
TLh entalpia soluiei de absorbant la temperatura din
refierbtor,kJ/kg.
Relaia de bilan termic se poate scrie innd seama de cldurile
specifice:
)TT(cL)hh(L fBp0TL
TL0 S0LS
f
S0
B
S0S
Neglijnd diferena de temperaturi (Tv-Tf) se poate scrie:
)(2222
fV TCO
TCO
RCOR
RCO hHGHG
innd cont de relaiile de mai sus ecuaia de bilan termic
devine:
RRCO
TL
TV0fBp0B HG)hH(V)TT(cLQ 2
R
R
V
0S0LS
19208,2483)12,25123,2676(3,3048)80115(1,48,48848 BQ
hkJQB 61,19171161
Debitele masice ale fluxurilor implicate n relaia de calcul a
sarcinii refierbtorului au fost
calculate anterior.
V
0
TVH entalpia vaporilor de ap la temperatura TV=99C, s-a citit
din tabele din literatur, kJ/kg;
R
R
TLh entalpia refluxului la temperatura TR=115C, s-a citit din
tabele din literatur , kJ/kg;
S0Lpc se citete din grafice din literatur n funcie de
temperatura medie aritmetic ntre TB i
TR i concentraia soluiei de MEA.RH se citete din tabele din
literatur n funcie de tipul absorbantului.
Cunoscnd sarcina refierbtorului se poate calcula debitul de
vapori VB:
BTV
BB l
QV
Fracia molar a apei n vaporii VB la echilibru cu soluia apoas de
amin se determin
astfel:pentru o soluie care conine 15% mas MEA i 85% mas ap se
citete din grafice din
-
20
literatur compoziia apei n faz vapori i se obine 95,05% mas.Se
transform compoziia fazei
vapori din %mas n fracii molare i se gsete y=0,997 fracii molare
ap.
unde: BTVl reprezint cldura latent de vaporizare a lichidului cu
compoziia vaporilor VB n kJ/kg
i se calculeaz cu relaia:
)y1(lyll BBB T minaTap
TV
BTapl cldura latent de vaporizare a apei la temperatura TB,
kJ/kg;
BTminal cldura latent de vaporizare a aminei la temperatura
TB,kJ/kg;
y fracia molar a apei n vaporii VB la echilibru cu soluia apoas
de amin.
kgkJl BTV 2214)997,01(892997,01,2218
haburkmoli
haburkg
VB 17,4801805,864305,8643
221461,19171161
2.2 Determinarea numrului de talere teoretice din coloana de
desorbie
Numrul de talere teoretice se determin prin metoda grafic
simplificat bazat pe curba de
echilibru pentru sistemul CO2-MEA la presiunea din coloan i pe
dreapta de operare. Curba de
echilibru Y-X se calculeaz pornind de la valorile presiunii
pariale CO2 citite din grafice din
literatur pentru diferite valori de X i la temperatura medie pe
coloana de desorbie
C 1072
99115Tm . Dreapta de operare trece prin punctele definite de
concentraiile fluxurilor n
contracurent la extremitile coloanei si anume punctul A (X1, Vb)
i punctul B (Xn, V0). Concentraia
Yf se calculeaz cu relaia:
aburkmolkmoliCO
LG
R
RCO 2
f 333,035,16945,56Y 2
-
21
Concentraia Yb se citete din curba de echilibru X-Y la valoarea
lui X0=0,03 kmolMEAkmoliCO2
Yb=2,8610-4aburkmol
kmoliCO 2
Concentraia X1 se stabilete prin bilan material pe conturul II
din figura 2:
031,003,01086,212,12017,480 4
00
1 XYLV
X BB
kmolMEAkmoliCO2
A(0,031; 480,17) i B(0,5 ;169,35)
Pentru reprezentarea curbei de operare sunt necesare i alte
puncte intermediare n afara
punctelor extreme A i B. Calculul lor se face cu ecuaia dreptei
de operare dnd valori lui X ntre X1i Xn . n calcul se va ine seama
c n zona de stripare debitul de vapori scade liniar ntre VB i
V0,
ceea ce nseamn c trebuie reprezentat grafic variaia debitului de
vapori cu concentraia X. Din
acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale
lui X i se introduc n ecuaia dreptei de
operare.
Tabel nr.3 Debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbie a
CO2 din soluii apoase de MEA
kmolMEAkmolCO
X 2, V,h
kmoli
0,031 480,17
0,1 435
0,2 365
0,3 300
0,4 230
0,5 169,35
-
22
Fig.4 Variaia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbie
a CO2 din soluii apoase de MEA
-
23
Tabel nr.4: Calculul curbei de echilibru pentru coloana de
desorbie
kmolMEAkmolCO
X 2,bar,P
2CO mol.fr,y 2CO62
2,HkmolC
kmolCOY
0,03 410-4 2,8610-4 2,8610-4
0,1 4,510-2 3,210-2 3,310-2
0,2 1,510-1 1,110-1 1,210-1
0,3 410-1 2,8610-1 410-1
0,4 1 7,110-1 2,5
0,5 1,410
m
co
CO PP
y 22
barPP bvm 4,125,13,1
2P
Tabel nr.5: Calculul curbei de operare pentru coloana de
desorbie:
kmolMEAkmolCO
X 2, bVL YXXY 10aburkmol
kmolCO2,
X1=0,031 Yb=2,8610-4
0,1 1,910-2
0,2 5,610-2
0,3 1,0810-1
0,4 1,9310-1
Xn=0,5 Yf=3,310-1
-
24 Fig 5. Determinarea numrului de talere teoretice pentru
coloana de desorbie
-
25
2.3 DIMENSIONAREA COLOANEI DE DESORBIE
2.3.1 Calculul diametrului coloanei de desorbie
Calculul diametrului n zona superioar
Sarcina maxim de vapori este:
hkmoliGVV RCO 8,22545,5635,16920max
Masa molar medie a vaporilor de la vrful coloanei de desorbie se
calculeaz cu relaia:
kmolkgM
molareCOfrY
Yy
yMyMM
v
f
ff
faburfCOv
5,24)25,01(1825,044
.25,0333,01
333,01
)1(
2
2
Densitatea vaporilor se calculeaz cu relaia:
3mkg03,1
99273083,024,53,1
v
vvv TR
MP Aplicnd legea general a gazelor se calculeaz debitul volumic
de vapori:
sV
3m49,1360003,1
5,248,225
Debitul maxim de lichid la vrful coloanei este:
hkgL /44,51491max
Densitatea soluiei de absorbant la temperatura Tf este: 3mkg960l
i s-a citit din literatur la
temperatura Tf.
FS = 0,7 factor de spumare; F= 0,5 factor de necare;
S=0,6; NP= 1 numr de pasuri ;
L=debit de lichid, m/min ;
Vc=volumul corectat al vaporilor m/s ;
Vmax=debitul maxim de vapori la condiiile de temperatur i
presiune date, m/s ;
vd =viteza lichidului n deversor, m/s;
Vd= f(S) =f(0.6)= 0,118m/s
CAF=f( v ,s)= 0,41 s-a citit din grafic.
-
26
Vc= Vmax(vl
v
)
5,0 =1,49(03,1960
03,1 )
5,0 =0,0488 m/s
Se calculeaz debitul de soluie de absorbant bogat :
L= min/894,096060
44,5149160
30 mL
l
s
Diametrul coloanei de desorbie se calculeaz cu relaia:
mCBBDc
CAFFSFNPLB
CAFFSFV
VLC c
d
56,1571,1
)37,114,3347,0(347,0571,1
)14,3(
347,041,07,05,01
894,005575,005575,0
37,141,07,05,0
0488,028,3118,030
894,028,330
5.025.02
Calculul diametrului n zona inferioar
Sarcina maxim de vapori este:
GB Vhkg
hkmoliVV 98,94961861,52761,527max
Densitatea vaporilor se obine din literatur la temperatura din
baz,considernd c vaporii sunt
alctuii numai din abur: 3v mkg965,0
Aplicnd legea general a gazelor se calculeaz debitul volumic de
vapori:
s
VVv
G3
maxm73,2
3600965,098,9496
3600
Debitul maxim de lichid la vrful coloanei este:
GLhkgL 2,49007max
Densitatea soluiei de absorbant la temperatura Tb este: 3mkg955l
i s-a citit din literatur.
CAF=f( v ,s)= 0,41 s-a citit din grafic.
-
27
Vc= Vmax(vl
v
)
5,0 =2,73(965,0955
965,0 )
5,0 =0,0868 m/s
L= min/855,095560
2,4900760
3max mL
l
Diametrul coloanei de desorbie se calculeaz cu relaia:
mCBBDc
CAFFSFNPLB
CAFFSFV
VLC c
d
90,1571,1
)22,214,3332,0(332,0571,1
)14,3(
332,041,07,05,01
855,005575,005575,0
22,241,07,05,0
0868,028,3118,030
855,028,330
5.025.02
2.3.2 nlimea coloanei de desorbie
m
NNN
E
usapreE
mmsN
col
RR
Tm
m
bzvf
bzvfRcol
5,235,116,0)136(
3625,09
sup25,0
5,1;1
)1(
2.4 Calculul schimbului termic absorbant srac-absorbant
bogat
Conform schemei tehnologice se observ c absorbantul srac se
recircul la vrful
coloanei de absorbie de la baza coloanei de stripare. Deoarece
absorbantul srac iese din
refierbtorul de la baza coloanei de stripare ca lichid la punct
de fierbere cu temperatura Tb=115C i
trebuie s intre pe la vrful coloanei de absorbie la temperatura
T0=30C, se impune ca acest flux
termic s fie valorificat pentru a realiza schimbul de cldur cu
absorbantul bogat care iese de la baza
coloanei de absorbie cu temperatura Tn=54C i care trebuie s
intre ca flux de alimentare n coloana
de stripare la temperatura Tf=80C (valoare aleas conform
indicaiilor din literatur. Temperatura cu
care iese absorbantul srac din schimbul de cldur se presupune ca
fiind Tx=88C i se verific prin
bilan termic pe conturul I:
X
S0
fn0
nn0
B
S0
TLS0
1TL
n0
TL
n0
TLS0
1 hLhLhLhL
-
28
Deoarece n literatur nu exist date de entalpii pentru soluiile
de amine, ci numai date de
clduri specifice :
xbpS01TLTLS01 TTcLhhL 0lXS0BS0 nfpn0TLTLn s0 TTcLhhL 0lnn0fn0
xbpS01nfpn s0 TTcLTTcL 0l0l
unde: S01L debitul soluiei de absorbant srac de la baza coloanei
de desorbie kg/hn
s0L debitul de absorbant bogat de la baza coloanei de desorbie
kg/h;
0lpc cldura specific medie a soluiei de absorbant bogat,
respective srac, kJ/kgC, care
se citete din grafice din literatur la temperatura medie
aritmetic a temperaturilor respective.
nlocuim n relaia anterioar i obinem:
04,542509776,5355109881151,42,49007548000,444,51491 Temperatura
Tx=88C presupus s-a verificat deoarece relaia s-a verificat n
limita unei erori impuse(
-
29
hkgGapa 56,21814434,1175,167
328800,48,48848
2.6 Determinarea necesarului de abur saturat la refierbtor
Cunoscnd sarcina refierbtorului coloanei de desorbie se poate
calcula i debitul de abur
la refierbtor:
ei Tapa
Tabur
BB hH
QG
unde: iTaburH , eTapah reprezint entalpia aburului/apei la
intrarea/ieirea n refierbtor, kgkJ
hkgGB 89,92202,6743,2753
61,19171161
Prin automatizarea instalaiei de eliminare a C02 prin absorbie n
soluie apoas de MEAn cadrul acestui proiect se nelege:
implementarea structurilor de reglare a parametrilor de regim pe
cele dou coloane:
presiune la coloana de absorbtie;
presiune i temperatura la coloana de desorbtie;
implementarea structurilor de reglare a debitelor:
fluxului de gaz bogat la intrarea n coloana de absorbie;
fluxului de absorbant sarac la intrarea n coloana de
absorbie;
fluxului de absorbant bogat la intrarea n coloana de
desorbie;
implementarea structurilor de reglare a nivelului:
la baza coloanei de absorbie;
la baza coloanei de desorbie;
n vasul de reflux.
Pentru obinerea acestor deziderate se vor folosi cunotinele
dobndite la cursul de
automatizare a proceselor chimice i literatur.
-
30
BIBLIOGRAFIE
1. Neagu,Mihaela,Fendu,Elena Mirela,Nicolae,Marilena,Calculul
proceselor de purificare agazelor industriale,Editura Universitii
Petrol-Gaze din Ploieti,2010
2. PRO/II, Reference Manual;
3. Stratul, C., Purificarea gazelor, Editura tiinific si
Enciclopedic, Bucureti, 19844. omoghi, V., s.a., Proprieti fizice
utilizate n calculele termice i fluidodinamice, U.P.G.,
Ploieti, 1997;
5. Stratul, C., Fracionarea- Principii si metode de calcul,
Editura Tehnic, Bucureti, 19866. Marinoiu, V., Paraschiv, N.,
Automatizarea proceselor chimice, vol. 2, Editura Tehnic, 1992
-
31
Anexa 1
-
32
Anexa 2
SCHEMA DE AUTOMATIZARE A INSTALAIEI DE ELIMINARE A CO2-ULUI
PRINABSORBIE N SOLUIE APOAS DE MONOETANOLAMIN
DATE DE INTRARE 1.3Determinarea numrului de talere teoretice din
coloana de absorbie 2.2 Determinarea numrului de talere teoretice
din coloana de desorbienlimea coloanei de desorbie
2.4 Calculul schimbului termic absorbant srac-absorbant bogat
2.5 Determinarea necesarului de ap de rcire la rcitorul suplimentar
BIBLIOGRAFIE