Proiect Purificarea Gazelor Industriale

Introducere

Proiectarea tehnologică se referă la determinarea numărului de talere teoretice necesare absorbţiei şi respectiv desorbţiei dioxidului de carbon, la calculul diametrelor şi înălţimilor coloanelor 1 şi 4 din figura 1.1. În final se estimează necesarul de agenţi termici pentru aparatele de schimb de căldură din instalaţie.

Figura 1.1: Schema tehnologică a procedeului clasic Girbotol

1 – absorber; 2 – răcitor suplimentar; 3 – schimbător de căldură între soluţia bogată şi săracă de amină; 4 – regenerator; 5 – refierbător; 6 – condensator; 7 – vas de reflux 8 – vas de completare cu absorbant. 1

1. Proiectarea tehnologică a coloanei de absorbţie Operaţia de absorbţie are rolul de a elimina din fluxul de metan impurificat, dioxid de carbon, folosind ca absorbant soluţie apoasă de DEA 20% masă. Fluxurile din coloana de absorbţie şi concentraţiile lor sunt cele prezentate în figura 1.2:

Figura 1.2: Fluxurile şi simbolurile mărimilor specifice coloanei de absorbţie

Semnificaţia simbolurilor: G0 - debitul de gaz purtător (metan), kmol/h; L0 – debitul de absorbant (DEA), kmol/h; Yn+1,Y1 –concentraţiile solutului (CO2) în metan, kmol solut/ kmol g.p. la intrarea/ieşirea din coloană; X0, Xn - concentraţiile solutului (CO2) în absorbant, kmol solut/ kmol absorbant la intrarea/ieşirea din coloană; Tn+1, T1 – temperatura fluxului de metan la intrarea/ ieşirea din coloană; T0, Tn – temperatura fluxului de absorbant la intrarea/ ieşirea din coloană. Datele iniţiale necesare calculului de proiectare a coloanei de absorbţie sunt: • debitul de alimentare cu gaz impurificat, precum şi concentraţia solutului. Deoarece gazul impurificat este un amestec de hidrocarburi, este necesară specificarea

2

compoziţiei acestuia. În unele cazuri, se poate asimila amestecul de hidrocarburi care alcătuiesc gazul purtator, cu o singură hidrocarbură; • gradul de absorbţie sau concentraţia solutului în gazul purificat; • tipul absorbantului şi concentraţia aminei în soluţie; • concentraţia solutului (CO2) în absorbantul sărac, X0; • temperatura de intrare a gazului impurificat: Tn+1, respectiv a absorbantului sărac (după răcitorul suplimentar 2 din figura 1.1): T0; • presiunea de lucru în coloana de absorbţie. 1.1. Calculul debitelor şi concentraţiilor fluxurilor din coloana de absorbţie Din datele de intrare se calculează debitul molar de gaz bogat: Nm 3 GT ( ) zi GT = Nm 3 h 22,4 ⋅ 24 kmol zi

GT =

(1.1)

200000 = 372.024 kmoli/h 22,4 ⋅ 24

Cunoscând concentraţia dioxidului de carbon în gazul bogat, respectiv a gazului purtător (metanul) se calculează debitul molar de CO2, respectiv de metan: 
 =
 ·  
 = 372.024 · 0.06 = 22.3 kmoli/h

(1.2)

G0 = GT · yCH4 G0 = 372.024 · 0.94 = 349.7 kmoli/h

(1.3)

Se calculează raportul molar Yn+1: Yn +1 =

Yn+1 =

y n +1 1 − y n +1

.

 .

(1.4)

= 0.0638 kmoli CO2/kmoli gaz purtător

sau Yn+1 =





=

.

.

= 0.0638 kmoliCO2/ kmoli gaz purtător

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

3

ϕ=

Yn +1 − Y1 ⇒ Y1 = (1 − ϕ ) ⋅ Yn +1 Yn+1

(1.5)

Y1 = (1-0.98) · 0.0638 = 0.00128 kmoli CO2/ kmoli gaz purtător Cunoscând concentraţia CO2 în absorbantul sărac se calculează debitul molar de CO2 la ieşire din coloana de absorbţie: 
 = G0 · Y1 
 = 349.7 · 0.00128 = 0.448 kmoli/h

(1.6)

Concentraţia CO2 în absorbantul sărac se cunoaşte din datele de proiectare X0=0,03 kmoli CO2/kmol DEA, iar concentraţia Xn se alege astfel încât la determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică să rezulte un număr rezonabil de talere (Anexa 1). Xn=0,5 kmol CO2/kmol DEA Debitul molar de absorbant L0 se calculează prin bilanţ material în jurul coloanei de absorbţie pe conturul 1 din figura 1.2. G0 ⋅ Yn +1 + L0 ⋅ X 0 = G0Y1 + L0 X n

L0 = G0

(1.7)

Yn +1 − Y1 0.0638 − 0.00128 = 349.7 ⋅ = 46.52 kmol/h ⋅ 105.14 = 4891.113kg/h Xn − X0 0,5 − 0,03

1.2. Debitele parţiale în fluxul de gaz bogat la intrarea în coloană: G0 = 349.7 · 16 = 5595.2 kg/h 
 = 22.3 1 44 = 981.2 kg/h CO2  GT = G0 +
 = 5595.2 + 981.2 = 6576.4 kg/h gaz bogat (1.8) 1.3. Debitele parţiale şi concentraţiile în fluxul de gaz sărac la ieşirea din coloană: G0 = 349.7 · 16 = 5595.2 kg/h 
 = G0 · Y1 = 349.7 · 0.00128 = 0.448 kmoli/h (1.9) 
 = 0.448 · 44 = 19.7 kg/h CO2 neabsorbit  G1 = G0 +
 = 349.7 + 0.448 = 350.15 kmoli/h gaz sărac (1.10) G1 = 5595.2 + 19.7 = 5614.9 kg/h gaz sărac

4

xDEA =

 .     .

= 0.0410 fr. molare DEA

xapa = 1- xDEA = 1 – 0.0410 = 0.959 fr. molare apa

(1.11)

1.4. Debitele parţiale în absorbantul sărac la intrarea în coloană: L0 = 46.52 · 105.14 = 4891.113 kg/h DEA Cunoscând concentraţia soluţiei de amină (20% masa) se poate calcula debitul de soluţie apoasă de DEA: L0s = 4891.113 ·





= 24455.6 kg/h soluţie DEA

Soluţia apoasă de DEA este alcătuită din: 4891.113 kg/h DEA şi: 24455.6 – 4891.113 = 19564.5 kg/h apă  = L0 · X0 = 46.52 · 0.03 = 1.39 kmoli/h CO2 (1.12)  = 1.39 · 44 = 61.41 kg/h CO2  = L0 +  = 46.52 + 61.41 = 107.93 kmoli/h absorbant sărac   = 24455.6 + 61.41 = 24517.01 kg/h soluţie absorbant sărac 1.5. Debitele parţiale în absorbantul bogat la ieşirea din coloană: L0 = 4891.113 kg/h DEA  = L0 · Xn = 46.52 · 0.5 = 23.26 kmoli/h CO2 (1.13)   = 23.26 · 44 = 1023.44 kg/h CO2   = L0 +  = 46.52 + 1023.44 = 1069.96 kmoli/h (1.14)    = 24455.6 + 1023.44 = 25479.04 kg/h soluţie absorbant bogat 1.6. Bilanţul termic pe coloana de absorbţie. T1 = T0 + 5...10℃ Tn = Tn+1 + 10...30℃

(1.15) (1.16)

T1 = 30 + 5 = 35℃ Tn = 25 + 15 = 40℃

5

G0 = 349.7 · 16 = 5595.6 kg/h L0s = 24455.6 kg/h soluţie DEA
 = G0 (Yn+1 – Y1)
 = 349.7 · (0.0638 – 0.00128) = 21.86 kmoli/h ·44 = 961.84 kg/h CO2 reacţionat În scopul verificării temperaturii Tn din baza coloanei de absorbţie, se efectuează bilanţul termic pe conturul I din figura 1.2, conform următoarei relaţii: Tn +1 T1 n +1 1 G 0n +1 ⋅ H GTn0+1 + GCO ⋅ H CO + L0 s ⋅ hLT00 = G01 ⋅ H GT10 + GCO ⋅ H CO + G R CO2 ⋅ hCO2 + L0 s ⋅ h Tn L0 (1.17) 2 2 2 2

G0n+1,G01 – debitul de gaz purtător la intrarea/ieşirea din coloană, kg/h; H TG , H TG – entalpia în fază vapori a gazului purtător la temperatura Tn+1, n +1 0

1

0

respectiv T1, kJ/kg G1CO , G R CO – debitul de CO2 la intrarea/ieşirea din coloană,kg/h; 2

2

n +1 1 – entalpia în fază vapori a CO2 la temperatura Tn+1, respectiv T1, H TCO H TCO 2, 2

kJ/kg; L 0s – debitul soluţiei de absorbant sărac, kg/h; h TL00 , h TLn0 – entalpia în fază lichidă a absorbantului la temperatura T0, respectiv

Tn; R GCO 2 – debitul de CO2 absorbit, kg/h; Tn hCO 2 – entalpia în fază lichidă a CO2 absorbit la temperatura Tn.

Considerând că atât gazul purtător, cât şi soluţia de absorbant sărac au aceeaşi compoziţie la intrarea şi ieşirea din coloană, se poate scrie:

( (h

)

G 0 H TG10 − H TGn0+1 = G 0 c p G (T1 − Tn +1 ) L 0s

Tn L0

)

0

+ h TL00 = L 0s c p L (Tn − T0 ) 0

(1.18) (1.19)

c pG – căldura specifică medie izobară a gazului purtător, kJ/kg˚C, care se 0

calculează cu relaţii din literatură; c p – căldura specifică medie a soluţie da absorbant sărac, kJ/kg˚C, care se L0

citeşte din grafice de literatură. De asemenea, ţinând seama de căldura de reacţie ∆HR şi de faptul că debitul de absorbant la ieşirea din coloană este foarte mic şi se poate neglija, ecuaţia de bilanţ material se reduce la forma: 6

R G CO 2 ∆H R = G 0 c p G 0 (T1 − Tn +1 ) − L 0s c p l 0 (Tn − T0 )

(1.20)

Se obţine astfel: Tn = Tb =

R G CO 2 ∆H R + L 0s c p L T0 − G 0 c p G 0 (T1 − Tn +1 ) 0

L 0s c p L

(1.21)

0

c Tp = A + B ⋅ T + C ⋅ T 2 + D ⋅ T 3

(1.22)

A, B, C, D - constantele specifice gazului purtător (metanul) care sunt tabelate în literatură. Tm =

T1 + Tn +1 35 + 25 = = 30 0 C 2 2

(1.23)

A = 1.80395·102 B = 5.93510 C = -2.31205 ·10-3 D = 2.90436·10-7  ℃ !"#

= 1.80395 · 102 + 5.93510 · 303 + (-2.31205) · 10-3 · 3032 + + 2.90436 · 10-7 · 3033 = 1774.5 J/kg · K = 1.7745 kJ/kg · K

Căldura specifică medie a soluţiei de absorbant c p

l0

se citeşte din grafice din

literatură la temperatura medie aritmetică între T0 şi Tn, în kJ/kg·ºC: c pL 0 = 3.80 kJ/kg·ºC.

(Anexa 2)

∆HR =1190 kJ/kg se citeşte din tabele din literatură . Tn = Tb =

 .$· &&. ·.$ ·

&&&. ·.&(& &) &&. ·.$

= 41.25 ℃

Valoarea temperaturii în baza coloanei de absorbţie obţinută cu această relaţie este în bună concordanţă cu valoarea presupusă Tn = 40ºC şi deci calculul temperaturii Tn se consideră încheiat. Se calculează temperatura medie pe coloană ca media aritmetică între T1 si Tn: Tm =

* *+ 

=

&.& 

= 38.13℃

7

1.7. Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de absorbţie. Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată şi se parcurg urmatoarele etape: • la temperatura medie pe coloană şi pentru valori de X cuprinse intre X0 şi Xn se citesc din grafice de literatură valorile presiunii parţiale CO2; • din legea lui Dalton: . psolut = Pv · yabur = ,-"-

(1.24)

se calculează fracţiile molare ale CO2 care se transformă apoi în rapoarte molare Y, cu relaţia (1.4); • curba de echilibru X-Y se reprezintă în grafic semilogaritmic; • din calculele anterioare se fixează coordonatele punctelor prin care trece dreapta de operare: A(0.03; 0.00128) şi B (Xn; 0.0638). Abscisa punctlui B (Xn) se alege prin încercări succesive astfel încât să se obţină 2-3 talere teoretice. Se alege Xn = 0.5 kmoli CO2/kmol DEA; • pentru reprezentarea dreptei de operare în grafic semilogaritmic sunt necesare şi alte puncte intermediare în afara punctelor extreme A şi B. În ecuaţia dreptei de operare (1.25) se dau valori lui X între X0 şi Xn şi se calculează valorile lui Y. Rezultatele sunt trecute in tabelul 1.1 : Y=

/



· ( X – Xn) + Yn+1 X,

01234 56

71234 89:

X0 = 0.03 0.1 0.2 0.3 0.4 Xn = 0.5

(1.25) Y,

01234 56 01234 2

01234 89:

PCO2, bar yCO2 = YCO2 =

=

= ?

 ?

0.03

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

9·10-6 1.5·10-6

2·10-4 3.33·10-5

1.7·10-3 2.83·10-4

7.5·10-3 1.25·10-3

2.5·10-2 4.17·10-3

8.5·10-2 1.42·10-2

1.5·10-6

3.33·10-5

2.83·10-4

1.25·10-3

4.17·10-3

1.42·10-2

Tabelul 1.2: Calculul curbei de echilibru pentru coloana de absorbţie a CO2 în soluţii de DEA 20% masă

• se reprezintă în acelaşi grafic, în coordonate Y-X, atât curba de echilibru cât şi curba de operare şi se duc orizontalele şi verticalele pornind de la punctul B la punctul A. Numărul de orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru absorbţia respectivă. S-au obţinut 1.5 talere (Anexa 1). 1.8. Dimensionarea coloanei de absorbţie Coloana de absorbţie este echipată cu talere cu supape, iar calculul diametrului se face conform metodologiei Glitsch, cu relatiile (1.26 – 1.28) aplicate în condiţiile de regim şi debite din baza coloanei de absorbţie. DC =

@A @  .>B

B = 0.05575 C=

,m

.&

/

 ·HI

·

/

CD·EF·EG·5:E

.$· HJ

EF·EG·5:E

(1.26) (1.27) (1.28)

Debitele implicate în relaţiile (1.26 – 1.28) au fost calculate anterior, şi anume: GT = 6576.4 kg/h gaz impurificat   = 25479.04 kg/h soluţie de absorbant bogat Masa molară medie a gazului bogat se calculează cu relaţia (1.29): LMMMMM. = MCO2 · yn+1+ MCH4 · (1 - yn+1) K LMMMMM K. = 44 · 0.06 + 16(1-0.06) = 17.68 kg/kmol

(1.29)

Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia (1.30): N OOOO= .

OOOOO =· P Q

R· *ST

(1.30) 9

·. $

N OOOO= .

. $(&)

= 4.29kg/m3

Aplicând legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori: V=

& .

= 0.426 m3/s

.·

Densitatea soluţiei de DEA 20% masă la ieşirea din coloană se citeşte din grafice, din literatură la temperatura din bază: Tn = 40℃ ⇒ ρDEA = 1.015 kg/m3. Cu relaţia (1.31) se calculează debitul maxim de vapori corectat: Vc = V V

WX

WY WX

Vc = 0.426 V

Z0.5 .

 & .

(1.31) Z 0.5 = 0.0278 m3/s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant: L=

&.   · &

= 0.418 m3/min

Din grafice, din literatură se citeşte CAF pentru ρv = 4.29 kg/m3 şi s = 0.609m se obţine CAF = 0.42. Se aplică relaţiile (1.26-1.28): B =0.05575 C=

.$

 · . &

Dc =

+

.$

· .· .· . .$· . $

.· .· .

= 0.109

= 0.704

. ( .   .· . ) . .&

= 1.02m

Numărul real de talere din coloană se calculează cu relaţia: Nr = Nr =

C[

9\ .&

.&

(1.32) = 10 talere reale

IC =(NTR – 1) · s + IV + Ib IC = (10 – 1) · 0.6 + 1.5 + 1 = 7.9 m

(1.33)

10

1.9. Calculul pierderilor de absorbant La vârful coloanei de absorbţie au loc pierderi de absorbant datorită antrenărilor de gaz inert. Aceste pierderi se calculează cu relaţia (1.33). Debitul molar de gaz purificat de la vârful coloanei de absorbţie şi fracţiile molare ale apei şi DEA în absorbantul sărac sunt calculate anterior. Constantele de echilibru ale apei şi DEA în amestecul absorbant, la temperatura şi presiunea din vârful coloanei s-au citit din grafice din literatură. LP = G l ·

∑J^` 7^ _^

(1.34)

 ∑J^` 7^ _^

KDEA = 1.1261 · 10-2 Kapă = 4.4546 · 10-7 LP = 350.15 ·

.& · ab · .&. ·  a · . 

 .& · ab · .&. ·  a · . 

= 0.162

Lp apă = (0.162 + 350.15) · 4.4546 · 10-7 = 1.496 · 10-4 fr. molare yapă = 4.4546 · 10-7 · 0.959 = 4.2719 · 10-7 fr. molare yDEA = 1.1261 · 10-2 · 0.0410 = 4.6170 · 10-4 fr. molare Lp apă = 1.496 · 10-4 · 18 = 2.7 · 10-3 kg/h Lp DEA = 350.15 · 4.670 · 10-4 = 0.162 kmoli/h Lp DEA = 0.162 · 105.14 = 17.03 kg/h

11

2. Proiectarea tehnologică a coloanei de desorbţie Realizarea unui anumit grad de stripare a gazului acid din soluţia de absorbant bogat ce alimentează coloana de desorbţie, pentru un debit de abur de stripare dat, necesită un număr de talere sau un strat de umplutură de o anumită înălţime. Calculul acestora se face în funcţie de numărul de talere teoretice. Se aplică pentru determinarea numărului de talere teoretice tot prin metoda simplificată, dar datele de echilibru ale sistemului studiat se obţin la temperaturi medii mai mari, specifice operaţiei de desorbţie. În practica industrială, striparea gazelor acide se face cu abur indirect, folosind un refierbător. Aburul de stripare care păraseşte coloana pe la vârf se condensează şi se reîntoarce în coloană ca reflux. În acest caz, fluxurile şi concentraţiile lor sunt cele simbolizate in figura 2.1.

Figura 2.1: Fluxurile şi concentraţiile lor în coloana de stripare

12

În figura 2.1 semnificaţia simbolurilor este : Lo- fluxul absorbant ,Kmol/h; LR - refluxul, concentrat în apă, kmol/h; B- fluxul de bază,concentrat în apă care se recircula la coloana de absorbţie kmol/h; Xn – concentraţia co2 în absorbantul bogat, kmol CO2 / kmol MEA; Xo – concentraţia în absorbantul sărac, kmol CO2/ kmol MEA; Yb- – concentraţia CO2 , în abur la ieşirea din refierbător, kmol CO2/kmol abur ; Yv- – concentraţia CO2 , în abur la ieşirea din coloană, kmol CO2 /kmol abur. Datele iniţiale necesare calculului de proiectare a coloanei de desorbţie sunt: • debitul de alimentare cu absorbant bogat şi concentraţia solutului (CO2) în absorbant Xn (de la coloana de absorbţie); • gradul de stripare sau concentraţia solutului în soluţia stripată; • concentraţia solutului în absorbantul sărac, X0; • temperatura în baza coloanei TB; • temperatura refluxului TR; • temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat în coloană, egală cu temperatura de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie (figura 1.1, notatie 3); • raţie de reflux; • presiunea în vârful şi la baza coloanei de desorbţie. Algoritmul de calcul al coloanei de desorbţie are următoarele etape: a. se determină temperatura la vârful coloanei, se efectuează bilanţul termic pe coloană şi se calculează debitul de vapori de stripare, precum şi consumul de abur la refierbător; b. se calculează temperatura medie pe coloana de desorbţie şi la această temperatură se obţin datele de echilibru pentru sistemul solut – absorbant; c. se determină diametrul şi înălţimea coloanei cu metodologia specifică tipului de dispozitive de contactare (talere cu supape).

13

2.1. Bilanţul termic şi regimul de temperaturi. Pentru determinarea temperaturii la vârful coloanei de desorbţie se pleacă de la faptul că în condiţii de echilibru, presiunea parţială a aburului (componentul majoritar la vârful coloanei) este egală cu presiunea de vapori a apei. Presiunea parţiala a solutului (pCO2) se obţine din legea lui Dalton : . psolut = Pv · yabur = ,-"-

(1.24)

pv – presiunea la vârful coloanei de desorbţie, bar; yabur – fracţia molară de abur calculată cu relaţia (2.1): yabur = yabur =

/c

(2.1)

/c c &.&$

&.&$.$

= 0.75 fr. molare abur

LR – debitul de reflux, calculat cu relaţia (2.2) LR = R · G R (2.2) LR = 3 · 21.86 = 65.58 kmoli/h = 65.58 · 18 = 1180.44 kg/h apă R – raţia de reflux; GR – debitul de CO2 absorbit, kmoli/h; . d-"ă - presiunea de vapori a apei la temperatura de vârf. . PCO2 = 1.2 · 0.75 = 0.9 bar = 0.9 · 750 = 675 mm Hg = d-"-

Temperatura la vârf se calculează cu relaţia lui Antoine: . ln,-"ă =A-

@

5 *f

ln 675 = 18.3036 –

(2.3) $ .

 .*g

⇒Tv = 97℃

Temperatura în baza coloanei TB se estimează conform literaturii, (din datele de proiectare) TB=116 0C. Temperatura refluxului TR se estimează conform literaturii (din datele de proiectare) TR=60 0C. Temperatura de intrare Tf a absorbantului bogat în coloană este egală cu temperatura de ieşire după schimbul de căldură cu absorbantul sărac de la baza coloanei de desorbţie, se estimează conform indicaţiilor din literatura. Am presupus Tf =80ºC. 14

Temperatura medie pe coloană se calculează ca media aritmetică între temperatura din vârf şi temperatura din bază. Tm= (TB+TV)/2 = (116+97)/2 = 106.5ºC Presiunea medie se calculează ca medie aritmetică între presiunea din vârf şi presiunea din bază (din datele de proiectare). Pm= (PB+PV)/2 = (1,2+1,6)/2 = 1,4 bar Pentru stabilirea sarcinii termice a refierbătorului, respectiv consumul de abur VB se efectuează un bilanţ termic pe coloana de desorbţie conform conturului din figura 2.1: T

T

TV TV TR TB R R f L0 s ⋅ hLosf + GCO 2 ⋅ hCO 2 + L R ⋅ h LR + Q B = V0 ⋅ H Vo + G CO 2 ⋅ H CO 2 + L0 s ⋅ hLos

(2.4)

h TL - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura Tf , kJ/kg; f

os

V0 - debitul de vapori de apă de la vârful coloanei, kmol/h;

H TV - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV, kJ/kg; V o

L R - debitul de reflux (apă), kmol/h (V0=LR);

h TL - entalpia refluxului la temperatura TR, kJ/kg; R

R

h TL - entalpia soluţiei de absorbant la temperatura din refierbător, kJ/kg. B

os

Relaţia (2.4) se poate scrie ţinând seama de căldurile specifice: T

T

L0 (hLB − hL f ) = L0 c p (TB − T f ) S

0S

0S

S

L 0S

(2.5)

Neglijând diferenţa de temperaturi (TB - Tf) se poate scrie: T

TV R R f GCO 2 ∆H R = GCO 2 ( H CO 2 − hCO 2 )

(2.6)

Ţinând cont de relaţiile (2.6…2.7), relaţia (2.5) devine: R Q B = L0 S c p L 0 S (TB − T f ) + V0 ( H VT0V − hLTRR ) + GCO 2 ∆H R

(2.7)

15

cp

L 0S

=3.95 kJ/kg0C

QB = 24455.6·3.95(116-80)+1180.44(2675-251.12)+961.84·1190= = 7483420.83 kJ/h Debitele masice din relaţia (2.7) s-au calculat anterior.

H TV - entalpia vaporilor de apă la temperatura TV=97ºC, s-a citit din tabele din V 0

literatură, kJ/kg;

h TL - entalpia refluxului la temperatura TR=60ºC, s-a citit din tabele din R

R

literatură, kJ/kg; c p -se citeşte din grafice din literatură în funcţie de temperatura medie L 0S

aritmetică între Tb şi TR şi concentraţia soluţiei de DEA; ∆HR - se citeşte din tabele din literatură. Fracţia molară a apei în vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină se determină astfel: pentru o soluţie care conţine 20% masă DEA şi 80% masă apă se citeşte din grafice din literatură compoziţia apei în fază vapori. B l TVB = l Tapă y + l Ta Bmin ă (1 − y)

B l Tapă – căldura latentă de vaporizare a apei la temperatura TB, kJ/kg;

l aTBmin ă – căldura latentă de vaporizare a aminei la temperatura TB, kJ/kg;

y – fracţia molară a apei în vaporii VB la echilibru cu soluţia apoasă de amină. lVTB = (2704,8 − 486,7 )⋅ = 2218.1kJ / h

Cunoscând sarcina refierbătorului se poate calcula debitul de vapori VB:

VB = VB =

QB

(2.8)

l TV

B

$ .$ $.

= 3373.8 kg/h = 187.43 kmoli/h

16

2.2. Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de desorbţie. Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată. Curba de echilibru Y-X se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale CO2 citite din grafice din literatură pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana de desorbţie Tm=106.5ºC.Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor în contracurent la extremităţile coloanei şi anume punctul A (Xn, Yf) şi punctul B (X1, Yb). Concentraţia Yf se calculează cu relaţia (2.9): Yf =

Yf =

R GCO 2 LR

.$ &.&$

(2.9) = 0.333 kmoli CO2/kmoli abur

Concentraţia Yb se citeşte din curba de echilibru X-Y la valoarea lui X0=0,03 kmol CO2/kmol DEA (Anexa 2) şi se găseşte Yb=0.00214 kmol CO2 /kmol abur. Concentraţia X1 se stabileşte prin bilanţ material pe conturul din figura 2.1: X1 =

X1 =

VB Y + X0 L0 B $.  .&

(2.10)

· 0.00214 + 0.03 = 0.0386 kmoli CO2/kmoli DEA

Pentru reprezentarea curbei de operare sunt necesare şi alte puncte intermediare în afara punctelor extreme A şi B. Calculul lor se face cu ecuaţia dreptei de operare (2.11) dând valori lui X între X1 şi Xn .Rezultatele sunt prezentate în tabelul 2.1. În relaţia (2.11) se va ţine seama că în zona de stripare debitul de vapori scade liniar între VB şi V0. S-a reprezentat grafic, în Anexa 3, variaţia liniară a debitului de vapori ale lui X. Din acest grafic se citesc valorile lui V pentru diferite valori ale lui X cuprinse între X1 şi Xn şi se introduc în ecuaţia dreptei de operare. Y=

/ H

· ( X – X1 ) + YB X,

01234 56

01234 89:

X1 = 0.0386 0.1 0.2 0.3 0.4 Xn = 0.5

(2.11) Y,

01234 56

01234 hijk

YB = 2.14· 10-3 1.87·10-2 5.29·10-2 1.03·10-1 2.28·10-1 Yf = 3.33·10-1

Tabelul 2.1: Calculul curbei de operare pentru coloana de desorbţie a CO2 din soluţie de DEA 20% masă 17

Din graficul :” Variaţia debitului de abur de-a lungul coloanei de desorbţie a CO2 din soluţii apoase de DEA 20% masa” (Anexa 3) rezultă valorile: 0.1 ⇒ V = 172 kmoli/h 0.2 ⇒ V = 148 Kmoli/h 0.3 ⇒ V = 120 kmoli/h 0.4 ⇒ V = 95 kmoli/h X,

01234 56

01234 89:

Pco2, bar yCO2 YCO2 =

?

 ?

0.03

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

3·10-3 5·10-2 4·10-1 2·10 7·10 2.5·10 2.14·10-3 3.6·10-2 2.86-1 1.43 5 17.86 -3 -2 -1 2.14·10 3.7·10 4·10 -

Tabel 2.1. Calculul curbei de echilibru pentru coloana de desorbţie

Se reprezintă în acelaşi grafic, în coordonate Y-X, atât curba de echilibru cât şi curba de operare şi se duc orizontale şi verticale pornind de la punctul B la punctul A. Numărul de orizontale reprezintă necesarul de echilibre pentru desorbţia respectivă şi s-au obţinut 5 talere teoretice (Anexa 2). 2.3. Diametrul coloanei de desorbţie. Calculul diametrului se face conform metodologiei Glitsch, cu relaţiile (1.26-1.28) aplicate pe rând la vârful şi la baza coloanei de stripare. 2.3.1. Calculul diametrului în zona superioară. Sarcina maximă de vapori este: Vmax = V0 +
 Vmax = 65.58 + 21.86 = 87.44 kmoli/h

(2.12)

Debitul maxim de lichid este: Lmax = LR Lmax = 65.58·18 = 1180.44kg/h

(2.13)

Masa molară medie a vaporilor de la vârful coloanei de stripare se calculează cu relaţia (1.29): LMMMMM K. = MCO2 · yf+ Mabur · (1 – yf)

(1.29) 18

LMMMMM K. = 44· 0.25 + 18(1-0.25) = 24.5 kg/kmol Densitatea vaporilor se calculează cu relaţia (1.30): OOOOO =· P Q

N OOOO= .

(1.30)

R· *ST .·.&

N OOOO= .

. $()

= 0.957kg/m3

Aplicând legea generală a gazelor se calculează debitul volumic de vapori: V=

$.·.&

= 0.622 m3 /s

.&·

Densitatea soluţiei de absorbant este: ρl = 992 kg/m3 şi s-a citit din grafice din literatură, la temperatura Tf. Cu relaţia (1.31) se calculează debitul maxim de vapori corectat: Vc = V V

WX

WY WX

Vc = 0.622 · V

Z0.5

.&

 .&

(1.31) Z0.5 = 0.0193 m3/s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant bogat: L=

&.  ·

= 0.428 m3/min

Din graficele de literatură se citeşte CAF pentru: ρ = 0.957, s = 0.609 m şi se obţine: CAF = 0.42. Se aplică relaţiile (1.26-1.28): B =0.05575 C=

.$

 · . &

Dc =

+

.$

· .· .· . .$· . 

.· .· .

= 0.111

= 0.580

.( .  .· .&$ ) . .&

= 0.933 m

19

2.3.2. Calculul diametrului în zona inferioară. Sarcina maximă de vapori este: Vmax = VB = 3373.8 kg/h. Debitul maxim de lichid este: Lmax = L0s = 245170.01 kg/h soluţie de absorbant sărac. Densitatea vaporilor se citeşte din literatură la temperatura din bază, considerând că vaporii sunt alcătuiţi numai din abur: ρv = 0.965 kg/m3. Se calculează debitul volumic de vapori: Vmax =

.$

. &·

= 0.971 m3/s

Densitatea soluţiei de DEA 20% masă la temperatura Tb = 116℃ este: ρl = 970 kg/m . Cu relaţia (1.31) se calculează debitul maxim de vapori corectat: 3

Vc = 0.971· V

.



.

Z0.5 = 0.0307 m3/s

Se calculează debitul volumic de soluţie de absorbant: L=

&.  ·

= 4.21 m3/min

Din grafice din literatura se citeşte CAF pentru ρv = 0.970 kg/m3 şi s = 0.609m se obţine: CAF = 0.41. Se aplică relaţiile (1.26-1.28): B =0.05575 C=

.

 · . &

Dc =

+

.

· .· .· . .$· .  

.· .· .

= 0.112

= 0.761

.( .  .· . ) . .&

= 1.06 m

Deoarece diferenţa dintre diametrul calculat la vârful coloanei şi cel calculat la bază este mai mare de 0.2m, se construieşte fiecare zonă din coloană cu diametrul respectiv. Înalţimea coloanei de desorbţie se calculează cu relaţia (1.33), în care eficacitatea medie globală se estimează ca fiind 25%. Numărul real de talere din coloană se calculează cu relaţia (1.32):

20

Nr =

&

.&

= 20 talere reale

IC = (20 – 1) · 0.6 + 1.5 + 1 = 13.9 m ≃ 14 m 2.4. Calculul schimbului termic absorbant sărac-absorbant bogat. Absorbantul sărac iese din refierbătorul coloanei de stripare cu temperatura Tb şi trebuie să intre la vârful coloanei de absorbţie cu temperatura T0 = 30℃ . Se impune un schimb de căldură între absorbantul bogat care iese de la baza coloanei de absorbţie cu temperatura Tn = 40℃ şi care trebuie să intre ca flux de alimentare în coloana de stripare la temperatura Tf = 80 ℃ şi absorbantul regenerat care iese din refierbător cu temperatura de 116℃. Temperatura cu care iese absorbantul regenerat din schimbul de caldură se presupune ca fiind Tx =76 ℃ şi se verifică cu relaţia (2.14):

(

)

Ln0 c p T f − Tn = L0 S c p (Tb − Tx ) l0

l0

(2.14)

Los - debitul de absorbant sărac de la baza coloanei de desorbţie Ln0 - debitul de absorbant bogat de la baza coloanei de absorbţie; mdn - căldura specifică medie a absorbantului bogat, respectiv sărac, kJ/kgºC, care se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor respective. 25479.04·3.7·(80-40) = 24517.01·3.8(116- 76) Căldura specifică medie a soluţiei de absorbant se citeşte din grafice din literatură la temperatura medie aritmetică a temperaturilor respective. Temperatura Tx = 76℃ presupusă s-a verificat, deoarece relaţia (2.14) s-a verificat în limita unei erori impuse (