Проектирование насадочного абсорбера для очистки природного газа Покровского газового месторождения от сероводорода.

kryshka.dwg

spetsifikatsia.dwg

ФЮРА.360000.000.00ПЗ
ФЮРА.360000.000.00ВО
Пояснительная записка
ФЮРА.36.000.02.СП Куб
ФЮРА.36.000.03.СП Крышка
ФЮРА.36.000.04.СП Крышка люка
ФЮРА.36.000.06.СП Тарелка ТСН-
ФЮРА.36.000.07.СП Опора 4
ФЮРА.36.000.08.СП Штуцер 1
ФЮРА.36.000.00.10Д Фланец 2
Обозначение Наименование Прим.
ФЮРА.360000.000.00СБ
Колонна ректификационная

Абсорбер.dwg

Выход паров дистиллята
Выход кубового остатка
Вход паров кубовой смеси
Схема расположения штуцеров
КП.ФЮРА.36.000.00.СБ
Техническая характеристика.
Аппарат предназначен для очитски природного газа
от сероводорода (не более 0
Объемный расход газа (н.у.) - 36000 м3с.
Давление в абсорбере - 5 МПа.
Температура в абсорбере - 30
Среда в аппарате - токсичная
Тип колонны - насадочная
Технические требования.
испытании и поставке должны выполняться
следующие требования:
а) ГОСТ 12.2.003-74 "Оборудование производственное. Общие
б) ОСТ 26.291-79 "Сосуды и аппарвты стальные сварные.
Технические требования".
Материал деталей абсорбера
соприкосающихся с разделяемыми
жидкостями - сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72
Аппарат испытать на прочность и плотность гидравлически в
горизонтальном положении давлением 0
положении - наливом.
Сварные соединения должны соответствовать требованиям
ОСТ 26-01-82-77 "Сварка в химическоммашиностроении".
Сварные швы в объеме 100% контролировать
рентгенопросвечиванием.
Действительное расположение штуцеров
Не указанный вылет штуцеров
* Размеры для справок

крышка.dwg

патрубок.dwg

пояс записка испр 1.docx

Задание на проектирование
Проектирование насадочного абсорбера для очистки природного газа Покровского газового месторождения от сероводорода. Состав природного газа:
Компонент природного газп
Плотность природного газа составляет 0952 кгм3.
Необходимо провести очистку природного газа для его транспортировки по газопроводу до содержания H2S – 002 гм3 (согласно ОСТ 51.40-95 и ГОСТ 5542-87).
Процесс абсорбции протекает при следующих параметрах в абсорбере:
Температура в абсорбере – 300С
Давление в абсорбере – 5 МПа.
Расход природного газа (н.у.) V0 = 36000 м3ч.
Области применения абсорбционных процессов в промышленности весьма обширны: получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью; разделение газовых смесей на составляющие их компоненты; очистка газов от вредных примесей; улавливание ценных компонентов из газовых выбросов.
Абсорбцией называют процесс поглощения газов и паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).
В абсорбционных процессах участвуют две фазы – жидкая и газовая и происходит переход вещества из газовой фазы в жидкую. Жидкая фаза состоит из поглотителя и абсорбированного компонента. Во многих случаях поглотитель представляет собой раствор активного компонента вступающего в химическую реакцию с абсорбируемым компонентом; при этом вещество в котором растворен активный компонент называют растворителем. Инертный газ и поглотитель являются носителями компонента соответственно в газовой и жидкой фазах.
Современные абсорбционные аппараты можно классифицировать в зависимости от технологического назначения давления и вида внутреннего устройства обеспечивающего контакт пара и жидкости.
В зависимости от применяемого давления аппараты подразделяются на вакуумные атмосферные и работающие под давлением.
В зависимости от внутреннего устройства:
)поверхностные и пленочные;
)барботажные (тарельчатые);
Насадочные абсорберы представляют собой колонны загруженные насадкой из тел различной формы (кольца кусковой материал деревянные решетки). Соприкосновение газа с жидкостью происходит в основном на смоченной поверхности насадки по которой стекает орошающая жидкость. Поверхность насадки в единице объема аппарата может быть довольно большой и поэтому в сравнительно небольших объемах можно создать значительные поверхности массопередачи.
Насадочный абсорбер состоит из колонны в которой помещены поддерживающие решетки на которые уложены слои насадки. Орошающая жидкость подается на насадку при помощи распределительного устройства. Иногда насадку укладывают несколькими слоями устанавливая под каждым слоем отдельные поддерживающие решетки. Движение газа и жидкости в насадочных абсорберах обычно осуществляется противотоком.
Насадочные абсорберы на протяжении долгого времени зарекомендовали себя как одни из самых лучших массообменных аппаратов предназначенных для очистки как газов так и жидкостей. Так например для очистки коксовых газов от ароматических (бензольных) углеводородов применяют только насадочные абсорберы с седлообразными насадками (или упорядочными кольцами) что позволяет создать большую поверхность массообмена и тем самым высокую селективность процесса. Другим примером может служить использование насадочных абсорберов для очистки различных газов от смеси СО2 и H2S применяя специальный абсорбент и эффективную насадку. При всем этом насадочные абсорберы позволяют осуществлять процесс глубокой очистки газов до почти нулевых значений нежелательных компонентов. Также имеется ряд преимуществ насадочных абсорберов по сравнению с тарельчатыми:
)простота устройства;
)низкое гидравлическое сопротивление;
)большая степень очистки;
В связи с этим все вышеперечисленное делает насадочный абсорбер незаменим как с точки зрения технологии так и с точки зрения технико-экономических показателей незаменим массообменным аппаратом для очистки газовых смесей.
Однако насадочные абсорберы имеют и минусы. Это трудность отвода тепла и плохая смачиваемость насадки при низких плотностях орошения.
Если говорить о зарубежных аналогах то необходимо отметить что главным отличием заграничных абсорберов является их применение в различных технологических схемах. Рассмотрим несколько методом сероочистки.
Метод «Хемико». Применяется установка мокрого известнякового метода обессеривания дымовых газов с конечным продуктом - «на выброс». Дымовые газы после котла очищаются от золы в электрофильтре и дымососом направляются в абсорбер причем перед абсорбером дымовые газы разделяются на два потока: 80% поступает в абсорбер а 20% по байпасу поступает в газоход после абсорбера. Сделано это для того чтобы нагреть очищенные газы так как они охлаждаются в процессе очистки до температуры точки росы.
Суспензия известняка готовится в специальной емкости и оттуда подается в нижнюю часть абсорбера откуда насосом перекачивается в 4 яруса форсунок расположенных в верхней части абсорбера.. Проходя через орошающую жидкость двуокись серы вступает в реакцию с известняком.
Сульфит кальция и непрореагировавший известняк вновь подаются со дна абсорбера в форсунки а часть этой суспензии откачивается в специальный сгуститель из которого поступает в центрифуги. Обезвоженный сульфит кальция направляется в отвал. Такие установки работают на нескольких заводах США и Германии.
Процесс «Селексол». В качестве абсорбента применяет диметиловый эфир полиэтиленгликоля. Так же как и N-метилпирролидон растворитель процесса «Селексол» обладает высокой поглотительной способностью по сероводороду по сравнению с СО2. Процесс позволяет совместное удаление Н2S СО2 СОS меркаптанов БТК и Н2О а также летучих органических соединений хлор- и кислородсодержащих соединений. Насыщенный в абсорбере растворитель ступенчато регенерируют снижая давление с 7 МПа до 002 МПа. В отходящем очищенном газе содержится 00001 об. % S 0001 об. % СО2 влаги 120 мгнм3.
Процесс «Сульфинол» позволяет удалять Н2S СОS RSH СS2 а также СО2 полностью или частично из природных и нефтезаводских газов. Примерный состав абсорбента: 30 % диэтаноламина 64 % сульфолана 6 % воды. Вместо этаноламинов лучше применять моно- или диизопропаноламин. В составе смешанного растворителя амин выполняет роль хемосорбента сульфолан и вода — физического сорбента. В отличие от очистки водными растворами аминов в процессе «Сульфинол» удаляют СОS СS2 и меркаптаны. В условиях очистки растворитель химически и термически стабилен в несколько раз менее коррозионно агрессивен чем водный раствор моноэтаноламина. Регенерацию осуществляют при 65 °С. В принципе технологическая схема не отличается от схемы моноэтаноламиновой очистки. После очистки способом «Сульфинол» в газе содержится 00004 об. % общей серы и 0005 об. % СО2. В настоящее время работают 180 установок процесса «Сульфинол» большая часть в Европе.
Насадки представляю собой твердые тела различной формы которые загружают в корпус колонны внавал или укладывают определенным образом. Развитая поверхность насадок создает эффективную поверхность контакта пара и жидкости.
Насадки применяемые для заполнения насадочных абсорберов должны обладать большой удельной поверхностью (поверхность на единицу объема) и большим свободным объемом. Кроме того насадка должна оказывать малое сопротивление газовому потоку хорошо распределять жидкость и обладать коррозионной стойкостью в соответствующих средах. Для уменьшения давления на поддерживающее устройство и стенки насадка должна иметь малый объемный вес.
Насадок полностью удовлетворяющих всем указанным требованиям не существует так как например увеличение удельной поверхности насадки влечет за собой увеличение гидравлического сопротивления аппарата и снижение предельных нагрузок. Насадки изготавливают из разнообразных материалов (керамика фосфор сталь пластмассы) выбор которых диктуется величиной удельной поверхности насадки смачиваемостью и коррозионной стойкостью.
Рисунок 1 – Типы насадок:
а – кольца Рашига; б – кольца с перегородками; в – седлообразная насадка; г – шары; д – хордовая насадка; е – пропеллерная насадка.
При выборе размеров насадки следует учитывать что чем больше размеры ее элемента тем выше допустимая скорость газа (и соответственно – производительность абсорбера) и ниже его гидравлическое сопротивление. Общая стоимость абсорбера с насадкой из элементов больших размеров будет ниже за счет уменьшения диаметра аппарата несмотря на то что его высота несколько увеличится по сравнению с высотой аппарата имеющегося насадку меньших размеров (вследствие снижения величины удельной поверхности насадки и интенсивности массопередачи).
Мелкая насадка предпочтительнее также при проведении процесса абсорбции под повышенным давлением так как в этом случае гидравлическое сопротивление абсорбера не имеет существенного значения. Кроме того мелкая насадка обладающая большей удельной поверхностью имеет преимущества перед крупной тогда когда для осуществления процесса абсорбции необходимо большое число единиц переноса или теоретических ступеней изменения концентраций.
Применяемые в абсорберах насадки можно подразделить на два типа: регулярные (правильно уложенные) и беспорядочные (засыпаемые внавал) насадки. К регулярным относятся хордовая кольцевая (при правильной укладке) и блочная насадки. К беспорядочным относятся кольцевая (при загрузке внавал) седлообразная и кусковая насадки.
Регулярные насадки отличаются упорядоченной ориентацией отдельных структурообразующих элементов в пространстве и их разделяют на две группы — с индивидуальной укладкой и блочные (в том числе рулонные).
Регулярная насадка с индивидуальной укладкой состоит из отдельных элементов (кольца треугольные призмы с постоянным или переменным по высоте сечением) которые располагают в корпусе колонны слоями. В смежных по высоте слоях для предотвращения образования сквозных каналов они смещены друг относительно друга. Для упрощения монтажа такой насадки отдельные элементы могут быть предварительно собраны в контейнеры которые затем устанавливают в корпусе колонны. Широкого применения в промышленности насадки с индивидуальной укладкой не получили так как это резко увеличивает трудоемкость и себестоимость монтажа.
На рис. 2 приведен вариант регулярной блочной насадки. Известны регулярные насадки фирмы «Sulzer» представляющие собой пакет гофрированных листов. Гофрирование листов выполнено под фиксированным к вертикальной оси углом (чаще 30° или 45°) и на смежных листах направлено в противоположные стороны.
Рисунок 2 – Блочная регулярная насадка фирмы «Sulzer»
Имеются модификации такой насадки изготавливаемые из различных материалов: стального рифленого листа пластмассы керамики фарфора стекла графитового волокна. Для колонн диаметром от 200 до 12 000 мм фирма "Sulzer" рекомендует насадку Меллапак выпускаемую 12 типов. На рис. 2 показан элемент насадки Меллапак 250.Y (число характеризует величину удельной поверхности насадки в м2м3 a Y указывает на то что гофрирование листов выполнено под углом 45°).
Теоретические основы процесса абсорбции
1 Физико-химические основы процесса абсорбции
В процессе абсорбции содержание газа в растворе зависит от свойств газа и жидкости температуры давления и состава газовой фазы.
В результате растворения в жидкости бинарной газовой смеси (распределяемый компонент А носитель В) взаимодействуют две фазы (Ф = 2) число компонентов равно трем (К = 3) и согласно правилу фаз число степеней свободы системы равно трем.
В системе газ-жидкость переменными являются температура давление и концентрации в обеих фазах. Таким образом в состоянии равновесия при постоянных значениях температуры и общего давления зависимость между парциальным давлением газа (или его концентрацией) и составом жидкой фазы однозначна. Данная зависимость выражается через закон Генри согласно которому парциальное давление растворенного газа пропорционально его мольной доле в растворе или растворимость газа (поглощаемого компонента) в жидкости при данной температуре пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью:
где P* – парциальное давление абсорбтива над абсорбентом в условиях равновесия; х – мольная доля поглощаемого газа в абсорбенте; Е – константа Генри имеющая размерность давления.
Значения коэффициента Генри для данного газа зависят от природы поглотителя и газа и от температуры но не зависят от общего давления в системе.
Для идеальных растворов на диаграмме зависимость равновесных концентраций от давления изображается прямой имеющей наклон равный коэффициенту Генри. С повышением температуры увеличивается значение коэффициента Генри и соответственно уменьшается растворимость газа в жидкости. Таким образом растворимость газа в жидкости увеличивается с повышением давления и снижением температуры.
Когда в равновесии с жидкостью находится смесь газов закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.
2 Характеристика сырья и продуктов процесса абсорбции
Природный газ Покровского газового месторождения характеризуется относительно низким содержанием сероводорода также он имеет достаточно высокую плотность. В связи с этим необходим выбор абсорбента который бы позволил произвести глубокую очистку природного газа до содержания сероводорода максимум 002 гм3. Поэтому в качестве абсорбента был выбран N-метилпирролидон-2 так как его преимуществом перед другими растворителями является высокая поглотительная способность и одновременно возможность сравнительно легкой регенерации. N-метилпирролидон-2 не токсичен не обладает коррозионной активностью. Единственный недостаток — относительно высокая стоимость. Технологическая схема с использованием в качестве абсорбента N-метилпирролидон-2 называется – технология «Пуризол». Также N-метилпирролидон-2 обладает самой большой растворяющая способность по сероводороду что позволяет использовать его также и для селективного извлечения Н2S из газов. Ниже приведена поглощающая способность N-метилпирролидон-2 по сероводороду []:
кмоль H2Sкмоль смеси.
Продуктом процесса абсорбции будет являться очищенный от сероводорода природный газ пригодный для транспортировки по газопроводу и потребления потребителем.
3 Основные закономерности протекающих процессов.
Константа Генри характеризующая растворимость газов в жидкости зависит от свойств растворённого газа и поглотителя а также от температуры. Зависимость от температуры с некоторым приближением выражается уравнением:
где q – теплота растворения газа ккалкгс×моль.
R – газовая постоянная.
c – опытная постоянная.
Для идеальных растворов на диаграмме p-x показанной на рис. 1 зависимость равновесных концентраций от давления изображается прямой имеющей угол наклона равный Е – коэффициенту Генри. Из рисунка 3 и вышеуказанного уравнения следует что с повышением температуры увеличивается значение Е и соответственно уменьшается растворимость газов в жидкости.
Рисунок 3 – Растворимость газа в жидкости при различных температурах (t1>t2>t3 и соответственно E1>E2>E3)
Закон Генри может быть представлен и в другой форме:
где – коэффициент распределения:
Тогда согласно уравнению числовые значения m зависят от температуры и давления в системе: уменьшаются с увеличение давления и уменьшением температуры. Таким образом с повышением давления и снижением температуры растворимость газа в жидкости увеличивается.
Сегодня абсорберы применяются в различных технологических схемах. Например абсорбер применяется для осушки природных газов [2 90].
Рисунок 4 – Технологическая схема промышленной установки осушки газа:
– пылеуловитель; 2 – замерный пункт; 3 – абсорбер; 4 – холодильник; 5 6 – соответственно первая и вторая секции теплообменников; 7 – выветриватель; 8 – промежуточная емкость ДЭГ; 9 12 и 15 – насосы; 10 – десорбер; 11 – кипятильник; 13 – конденсатор; 14 – емкость конденсата; 16 – вакуум-насос РМК-3. Потоки: I – сырой газ с промысла; II – осушенный газ; III – газы выветривания; IV – регенерированный ДЭГ; V – водяной пар; VI – охлаждающая вода; VII – выброс паров в атмосферу; VIII – выброс конденсата в канализацию.
Кроме осушки абсорберы используются и в очистке от нежелательных примесей. Например на рис. 5 представлена схема абсорбционной очистки природного газа от сероводорода с помощью ДЭГ.
Рисунок 5 – Принципиальная схема очистки и осушки газа раствором ДЭГ:
– абсорбер очистки от сероводорода; 2 – абсорбер осушки; 3 – колонна отдувки; 4 – дегазаторы; 5 – блок регенерации ДЭГ; 6 – теплообменник; I II и III – исходный отдувочный и очищенный от сероводорода газы; IV – осушенный газ V – газ дегазации; VI – жидкие углеводороды; VII – раствор ДЭГ насыщенный сероводородом и водой VIII – регенерированный раствор ДЭГ.
На рис. 6 представлена технологическая схема с указанием материальных потоков. Уравнение материального баланса абсорбера:
На диаграмме Y – X строят рабочую линию(прямая проходящая через точки с координатами Yнач Xкон Yкон Хнач).
Количество поглощённого компонента определяют из у равнения:
Поглощение компонентов газовой смеси при абсорбции сопровождается выделением тепла величина которого пропорциональна массе и теплоте растворения qA поглощаемых компонентов которая в первом приближении может быть принята равной теплоте конденсации соответствующего компонента.
Рисунок 6 – Материальные потоки абсорбера
Если считать что все выделившееся при абсорбции тепло пошло на увеличение температуры абсорбента т.е. не учитывать некоторое повышение температуры газа и тепловые потери в окружающую среду то такое допущение дает некоторый запас в расчетах.
Общее количество тепла выделяющееся при абсорбции равно
Выделяющееся в процессе абсорбции тепло повышает температуру абсорбента что приводит к ухудшению поглощения компонентов газовой смеси.
Если выделенное при абсорбции тепло не отводить то температура абсорбента на выходе из аппарата без учета нагревания газа и теплопотерь в окружающую среду будет равна
где – средняя теплоемкость абсорбента в интервале температур от до .
При промежуточном отводе тепла (рис. VI-6) температура абсорбента на выходе из абсорбера будет равна
Применение промежуточного охлаждения обеспечивает более равномерное распределение температур по высоте аппарата и более благоприятные условия протекания процесса абсорбции.
Технологический расчет
Геометрические размеры колонного массообменного аппарата определяются в основном поверхностью массопередачи необходимой для проведения данного процесса и скоростями фаз.
Поверхность массопередачи может быть найдена из основного уравнения массопередачи [1 103]:
где M – количество вещества переходящее из газовой смеси в жидкую фазу в единицу времени или нагрузка аппарата кгс;
– коэффициенты массопередачи соответственно по жидкой и газовой фазам кг(м2 . с);
– средняя движущая сила процесса абсорбции по жидкой и газовой фазам соответственно кгкг.
1 Определение массы поглощаемого
вещества и расхода поглотителя
А – абсорбтив (сероводород);
В – инертный газ (природный газ);
С – абсорбент (N-метилпирролидон-2);
– начальная относительная массовая концентрация абсорбтива в газовой фазе кмолькмоль;
– конечная относительная массовая концентрация абсорбтива в газовой
– начальная относительная массовая концентрация абсорбтива в жидкой фазе кмолькмоль;
– конечная относительная массовая концентрация абсорбтива в жидкой фазе кмолькмоль.
Массу абсорбтива (сероводорода) переходящего из газовой смеси в абсорбент можно найти из уравнения материального баланса:
где – расходы соответственно чистого абсорбента (N-метилпирролидона-2) и инертной части газа (природного газа) кгс;
– конечная и начальная относительные массовые концентрации абсорбтива (сероводорода) в абсорбенте (N-метилпирролидоне-2) кг сероводородакг N-метилпирролидона-2;
– начальная и конечная относительные массовые концентрации абсорбтива (сероводорода) в инертной части газа (природном газе) кг сероводорода кг природного газа.
Рисунок 7 – Равновесная (1) и рабочая (2) линии процесса абсорбции
Пересчитаем концентрации и нагрузки по фазам для получения выбранной для расчета размерности:
где – объемная массовая концентрация кгм3;
– плотность природного газа при нормальных условиях
Плотность природного газа при нормальных условиях составляет 0952 кгм3 [2 33]
Исходная концентрация сероводорода в N-метилпирролидоне-2.
Уравнение равновесной линии в относительных массовых концентрациях:
где – коэффициент Генри зависящий от температуры от природы газа и жидкости;
–давление в абсорбере МПа.
Рассчитаем E по закону Генри: растворимость газа при заданной температуре пропорциональна его давлению над раствором
где х – растворимость кмоль H2Sкмоль смеси.
Определим Еср. исходя из справочных данных о растворимости сероводорода в N-метилпирролидоне-2 кмоль H2Sкмоль смеси (объем газа при н.у.) при температуре 300С:
Таблица 1 – Растворимость сероводорода в N-метилпирролидоне-2 [3]
Определим – минимальный расход абсорбента из уравнения
Для этого нужно определить массовый расход природного газа
где – плотность природного газа при условиях в абсорбере;
– объемный расход инертного газа природного газа при условиях в абсорбере: (t = 300С; Р = 5МПа).
Приведем объемный расход воздуха к условиям в абсорбере:
где – объемный расход природного газа при нормальных условиях (00С; 760 мм.рт.ст =01 МПа) м3с
V0 = 36000 м3ч = 10 м3с
Пересчитаем плотность природного газа на условия в абсорбере:
где – плотность природного газа при нормальных условиях (00С; 760 мм.рт.ст =01МПа) – 0 952 ;
t – температура в абсорбере 0С t = 300С;
– нормальное давление (760 мм рт. ст.=01 МПа);
– давление в абсорбере Р=5 МПа;
Определим массовый расход воздуха по формуле:
Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту:
По уравнению равновесной линии определим относительную массовую концентрацию сероводорода в жидкой фазе (N-метилпирролидоне-2):
Определим - минимальный расход абсорбента из уравнения
Расход абсорбента (N-метилпирролидоне-2) принимаем из условия
где – коэффициент избытка поглотителя = 14 [4]
Конечную относительную массовую концентрацию определяем из уравнения материального баланса [1 104]:
откуда конечная концентрация :
где – относительная массовая концентрация сероводорода в жидкой фазе (N-метилпирролидоне-2) равновесная с начальной концентрацией сероводорода в природном газе;
– начальная относительная массовая концентрация сероводорода в N-метилпирролидоне-2.
Соотношение расходов фаз или удельный расход поглотителя равен:
2 Расчет движущей силы процесса
В насадочных абсорберах жидкая и газовая фаза движутся противотоком.
Движущую силу процесса определяем по уравнению:
где и – большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него кг кг
Значение найдем по уравнению равновесной линии:
Движущая сила абсорбции внизу колонны:
Движущая сила на верху колонны:
Средняя движущая сила процесса абсорбции:
3 Расчет скорости газа и диаметра абсорбера
Определим скорость в точке захлебывания согласно уравнению Бейна и Хоугена[5]:
где – скорость газа в точке захлебывания мс;
– удельная поверхность насадки м2м3;
– доля свободного объема м3м3;
– плотность газа и жидкости соответственно кгм3;
– вязкость жидкости мПа.с;
А В – коэффициенты зависящие от типа насадки;
– расход жидкости и газа соответственно кгс
В рассматриваемом проекте используются в качестве насадки – насадка фирмы «Зульцер Химтек» – Меллапак 250Y [7-9] так как это насадка обладает низким гидравлическом сопротивлением большой удельной поверхностью работает при больших перепадах давлений при очень низкой и высокой плотности орошения. Также новый стиль упаковки включает запатентованную модификацию нижних и верхних концов каждого упаковочного элемента. Угол гофр по отношению к вертикали постепенно снижается до нуля на обоих концах каждого листа. Это изменение конструкции угла гофра не вызывает изменения направления потока. Результатом является уменьшение падения давления в поперечной силе между газом и жидкой фазой а также снижение скорости газа. Насадка имеет следующие характеристики:
Вязкость N-метилпирролидона-2 определяем согласно уравнению [10]:
Коэффициенты А и В определяем согласно [5 352]:
Найдем Х будет равен:
Тогда Y будет равен:
Откуда скорость захлебывания будет равна:
Рабочую скорость газа в насадочном абсорбере определяем согласно [11 292]:
Диаметр абсорбера находим по уравнению объемного расхода
где – объемный расход природного газа при условиях в абсорбере м3с;
– рабочая скорость газа в насадочном абсорбере мс.
Принимаем стандартный диаметр абсорбера 12 м [1 106]
Тогда рабочая скорость газа будет равна:
4 Расчет коэффициентов массоотдачи и
коэффициента массопередачи
Коэффициент массопередачи Кy находят по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений
где и – коэффициенты массоотдачи в жидкой и газовой фазах соответственно кгм2.с;
– коэффициент распределения
Для колонн с регулярной насадкой коэффициент массоотдачи определим из уравнения:
где – диффузионный критерий Нуссельта для газовой фазы;
– критерий Рейнольдса для газовой фазы в насадке;
– диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы.
где – коэффициент диффузии сероводорода в газовой фазе (природном газе) м2сек;
– эквивалентный диаметр насадки м;
Определим критерий Рейнольдса:
где – рабочая скорость газа в абсорбере 0196 мс;
– эквивалентный диаметр насадки 024 м;
– плотность газа 4289 кгм3;
– доля свободного объема 097 м3м3;
– вязкость газа Па.с.
Вязкость природного газа определим согласно уравнению [12]:
Таблица 2 – Вязкости компонентов природного газа при 30°С [13]
Откуда вязкость природного газа равна:
Критерий Прандтля определим по формуле :
где – вязкость газа;
– коэффициент диффузии сероводорода в газовой фазе м2с.
Определим по формуле:
где – мольные массы сероводорода и природного газа гмоль;
– мольные объемы сероводорода и природного газа см3моль
Молярную массу природного газа определяем согласно формуле:
Таблица 3 – Состав природного газа
Определим критерий Прандтля:
Определим коэффициент массоотдачи в газовой фазе по формуле:
Выразим в выбранной для расчета размерности:
Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе определим из уравнения:
где – диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы;
– критерий Рейнольдса для стекающей по насадке пленки жидкости;
– диффузионный критерий Прандтля для жидкой фазы.
где – коэффициент диффузии серводорода в жидкой фазе (пропиленкарбонате) м2сек;
– приведенная толщина стекающей пленки жидкости м;
где – плотность орошения мс;
– плотность жидкости кгм3;
– вязкость жидкости Па.с.
Плотность орошения найдем по формуле :
где – массовый расход поглотителя кгс;
– плотность жидкости кгм3
Приведенную толщину стекающей пленки жидкости определим по формуле:
где – плотность жидкости;
– вязкость жидкости;
g – ускорение свободного падения.
Критерий Прандтля определим по формуле:
где – коэффициент диффузии сероводорода в жидкой фазе м2сек;
Коэффициент диффузии сероводорода в N-метилпирролидоне-2 определим по формуле:
где – параметр учитывающий ассоциацию молекул растворителя;
М – молекулярная масса растворителя (N-метилпирролидона-2);
Т – температура процесса абсорбции К;
– вязкость N-метилпирролидона-2 мПа.с;
– молекулярный объем сероводорода.
Согласно [1 107] примем .
Отсюда определяем критерий Прандтля по формуле:
Определим критерий массоотдачи в жидкой фазе по формуле:
Найдем коэффициент массопередачи по газовой фазе по формуле:
5 Расчет поверхности массопередачи и высоты абсорбера
Поверхность массопередачи в абсорбере определяется по формуле [1 10]:
где – производительность абсорбера по поглощаемому компоненту кгс;
– коэффициент массопередачи по газовой фазе;
– средняя движущая сила процесса абсорбции.
Высоту насадки требуемую для создания этой поверхности массопередачи рассчитаем по формуле:
где – поверхность массопередачи 1800 м2;
– удельная поверхность насадки 140 м2м3;
– диаметр абсорбера 12 м;
– доля активной поверхности
Доля активной поверхности насадки находим согласно уравнению [6 371]:
и – коэффициенты зависящие от типа насадки.
Для блочных регулярных насадок [6 343].
Тогда высота насадки будет равна:
Во избежание значительных нагрузок на нижние слои насадки ее укладывают в колонне ярусами по 10-15 блоков в каждом. Каждый ярус устанавливают на самостоятельные поддерживающие опоры. Расстояние между ярусами блочной насадки 03-05 м
Принимаем число блоков в каждом ярусе 15 (тогда высота одного слоя насадки равна 315 м) расстояние между ярусами 11 м (с учетом высоты распределительной тарелки) Отсюда высота насадочной части будет равна:
Определим высоту абсорбера по формуле:
Расстояние между днищем абсорбера и насадкой определяется необходимостью равномерного распределения газа по поперечному сечению колонны. Обычно это расстояние принимают равным 1-15
Расстояние от верха насадки до крышки абсорбера принимаем равным 1 м распределительные тарелки – тарелка типа ТСН-II и ТСН-III.
Таким образом высота аппарата составляет 44 м диаметр – 12 м.
Гидравлический расчет
Величина гидравлического сопротивления колонных аппаратов (ректификационных абсорбционных экстракционных) влияет на технологический режим работы аппарата.
При расчете колонн определяют гидравлическое сопротивление аппарата для того чтобы выбрать оптимальные скорости фазовых потоков обеспечивающих эффективный массообмен. По гидравлическому сопротивлению колонны подбирают вентилятор компрессор или насос для подачи газов и жидкостей обеспечивающих скорость движения фаз.
Величину находят по формуле [1 108]:
где – гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой жидкостью) насадки Па;
U – плотность орошения мс;
Гидравлическое сопротивление сухой насадки определяют по уравнению:
где – коэффициент сопротивления насадки;
H – высота насадки м;
– плотность газа кгм3;
– скорость газа в свободном сечении насадки мс;
Скорость газа в свободном сечении насадки определим из соотношения:
где – рабочая скорость газа в абсорбере мс;
– доля свободного объема м3м3.
Для регулярных насадок коэффициент сопротивления насадки можно рассчитать по формуле [6 342]:
где – коэффициент сопротивления трения (для регулярных насадок – 0053);
– коэффициент местного сопротивления.
Согласно [6 342] коэффициент местного сопротивления определяется по формуле:
Коэффициент b=151 (для блочных насадок) [1.108].
Тогда сопротивление орошаемой насадки будет равно:
Конструктивный расчет
Подсоединение трубопроводов к сосудам и аппаратам осуществляется с помощью вводных труб или штуцеров. Штуцерные соединения могут быть разъемными (резьбовыми фланцевыми сальниковыми) и неразъемными (сварными паяными клеевыми). Наиболее распространены разъемные соединения с помощью фланцевых штуцеров. Стальные фланцевые штуцера представляют собой короткие куски труб с приваренными к ним фланцами либо с фланцами удерживающимися на отбортовке либо с фланцами откованными за одно со штуцером. В зависимости от толщины стенок патрубки штуцеров могут быть тонкостенными и толстостенными. Типы штуцеров зависят от номинального (условного) давления и температуры среды.
Присоединение фланцевых штуцеров к корпусу аппарата днищу или крышке выполняется с определенным вылетом который зависит от условного диаметра и условного давления а также от толщины изоляции аппарата если он таковую имеет.
По назначению все фланцевые соединения в химическом аппаратостроении подразделяют на фланцы для трубной арматуры и труб (сюда же относятся все фланцы штуцеров и аппаратов) и фланцы для аппаратов (с их помощью осуществляется крепление крышек днищ и т.д.)
Диаметр штуцеров рассчитываем по формуле:
где w – скорость подачи газа или жидкости
Диаметр штуцера для ввода и вывода природного газа (примем w = 15 мс):
По ГОСТ 1235 – 67 принимаем штуцер с [4 661].
Для определения диаметра штуцера для ввода и вывода абсорбента необходимо вычислить объемный расход жидкости.
Тогда диаметр штуцера для ввода и вывода жидкости равен (примем скорость подачи жидкости w = 2 мс):
По ГОСТ 1235 – 67 принимаем штуцер с [4 661]:
Механический расчет состоит из проверки на прочность отдельных узлов и деталей и сводится к определению номинальных размеров (толщины стенок обечаек фланцев днищ и т.д.) которые должны обеспечить им необходимую долговечность.
1 Расчет толщины цилиндрических обечаек
Расчет толщины цилиндрических обечаек производится по формуле [1 ]:
где - расчетное давление;
- внутренний диаметр абсорбера;
- допускаемое напряжение 147 МПа для стали 12Х18Н10Т при 30°С;
- коэффициент прочности сварного шва;
- прибавка для компенсации коррозии и эрозии;
- прибавка округления толщины детали до номинального размера;
Коэффициент прочности сварного шва = 10 при контроле шва на длине 100% и = 09 при 50% -ном контроле длины шва.
Исполнительную толщину стенки выбирают из стандартного ряда толщин труб или листового проката. Фактическая толщина должна быть больше расчетной величины и обеспечивать также необходимую жесткость обечайки.
Толщину обечайки принимаем равной 22 мм [14 410].
Допускаемое давление в обечайке определим по формуле:
где - расчетное давление 5 МПа;
- внутренний диаметр абсорбера 1200 мм;
- допускаемое напряжение 147 МПа для стали 12Х18Н10Т при 25°С;
- прибавка для компенсации коррозии и эрозии 1 мм
2 Расчет толщины эллиптических днищ
Принимаем толщину крышки равной толщине обечайки .
Подбираем стандартные стальные отбортованные днище и крышку по (ГОСТ 6533-68)
Выберем стандартные отбортованные эллиптические днище и крышку параметры которых примем при :
hв = 300 мм h = 40 мм что соответствует Fa = 171 м2 и V=0255 м3 [14 440]:
3 Расчет опоры аппарата
Установка химических аппаратов на фундаменты или специальные несущие конструкции осуществляется большей частью с помощью опор.
Для установки нашего вертикального аппарата будем использовать опоры для вертикальных аппаратов.
Для того чтобы выбрать опору необходимо рассчитать вес всего аппарата в рабочем состоянии.
При изготовлении колонны используется:
Тарелок распределительных – 9 шт.;
Штуцер 125 мм – 2 шт.;
Слой насадки – 10 шт.;
Количество элементов насадки в одном слое – 240 шт.(площадь поверхности слоя насадки относим к площади поверхности элемента насадки)
Определяем вес колонны:
Задаемся количеством опор. Их должно быть не менее двух выбираем Z=4. Расчетная нагрузка на один болт
Расчетный внутренний диаметр резьбы болтов
где k – примем равным 06; n – число лап (примем 4); z – число ребер в опоре (примем 2); – дополнительное напряжение на сжатие (примем 100 МНм2).
Из графика [6 рис IV стр. 76] k = 095. Тогда
Расчет тепловой изоляции
Целью расчета тепловой изоляции является определение толщины слоя теплоизоляционного материала покрывающего наружную поверхность теплообменника с целью снижения тепловых потерь и обеспечения требований безопасности и охраны труда при обслуживании теплоиспользующих установок. С этой точки зрения температура поверхности слоя изоляции не должна превышать 45. Расчет толщины теплоизоляционного слоя материала можно проводить по упрощенной схеме используя следующее уравнение [1 175]:
где - коэффициент теплопроводности изоляционного слоя; - температура наружной стенки корпуса; - температура поверхности изоляционного слоя; - коэффициент теплоотдачи определяющий суммарную скорость переноса теплоты конвекцией и тепловым излучением.
В качестве материала изоляции выбираем совелит с Температуру стенки - принимаем равной 30°C (близкой к средней температуре в абсорбере). Температуру изоляционного слоя примем равной 25°C температуру окружающей среды примем 20°C.
Контроль качества для абсорбера представлен измерителями температуры давления расхода концентрация и уровня жидкости.
Таблица 4 – Основные характеристики контроллеров качества
Расход природного газа
Продолжение таблицы 4
на выходе из абсорбера
Состав природного газа
Список использованной литературы
Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию (Под ред. Дытнерского Ю.И.) – М.: Химия 1983. – 272 с.
А. Л. Лапидус И.А. Голубева Ф.Г. Жагфаров. Газохимия часть I. Первичная переработка углеводородных газов.. – М.: РГУ им. Губкина 2004. – 243 с.
Справочник азотчика. 2-е изд. перераб. – М.: Химия 1987. – 464 с.
Справочник по растворимости. Ч.1. Под редакцией Когана В.Б.. – М.: Издательство Академии наук СССР 1961. – 962 с.
О.Л. Овчинникова. Массообменные процессы и аппараты. Методическое пособие. ОмПЭК 2012 г. – 73 с.
В.М Рамм. Абсорбция газов. Изд. 2-е. перераб. – М.:Химия 1976. – 656 с.
А.И. Николаевский. Механика насаодчных пористых сред. – М.:Альянс 2000. – 348 с.

фланец.dwg