Proiectul Tehnologic al unei Instalații de Eliminare a Dioxidului de Carbon dintr-un Flux de Metan

Date de intrare:

Gazul impurificat: metan

Debit de alimentare: 500.000 Nm3/zi

Concentraţia H2S: intrare: 10% vol.

ieşire: 0,15 % vol.

Concentraţia soluţiei apoase de DEA: 20% masă

Gradul de încărcare al absorbantului sărac: 0,05 kmol CO2/kmol DEA

Parametrii de lucru in coloana de absorbţie:

Presiune: 3 bar

Temperatura de intrare gaz impurificat: 30 ºC

Temperatura de intrare absorbant sărac: 40 ºC

Parametrii de lucru în coloana de desorbţie:

Presiune la vârf: 1,2 bar

Presiune la bază: 1,4 bar

Temperatura în refierbător: 120 ºC

Temperatura refluxului: 60ºC

Ratia de reflux: 3:1

Coloană de absorbţie: talere cu supape

Coloană de desorbţie: talere cu supape

Se cere să se determine:

• Bilanţurile materiale pe cele două coloane

• Numărul de talere teoretice din cele două coloane

• Diametrul şi înăltimea celor două coloane

• Necesarul de utilităţi

• Pierderile de amină şi apă

Se va alcătui schema tehnologică şi de automatizare a instalaţiei

1. PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A COLOANEI DE ABSORBŢIE

Proiectarea tehnologică a unei astfel de coloane constă în stabilirea necesarului de echilibre, a diametrului şi înălţimii.

1.1 Calculul debitelor şi concentraţiilor în coloana de absorbţie

Operaţia de absorbţie are rolul de elimina din fluxul de metan impurificat, dioxidul 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:

În figura 1 semnificaţia simbolurilor este:

G0 - debitul de gaz purtător (metan), kmoli/h;

L0 - debitul de absorbant (DEA), kmoli/h;

Yn+1, Y1 – concentraţiile solutului (CO2) în metan, kmoli solut/kmol gaz purtător la intrarea/ieşirea din coloană;

Xo, Xn - concentraţia solutului (CO2) în absorbant, kmoli solut/kmol absorbant la intrarea/ieşirea din coloană.

Tn+1, T1 - temperatura fluxului de etan la intrarea/ieşirea din coloană;

T0, Tn – temperatura fluxului de absorbant la intrarea/ieşirea din coloană

Figura 1. Fluxurile şi concentraţiile lor în coloana de absorbţie

Din datele de intrare se calculează debitul molar G0 şi concentraţiile Yn+1, Y1.

Concentraţia Xn se alege astfel încât la determinarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică să rezulte un număr rezonabil de talere (2-3 talere).

Debitul molar L0 se calculează prin bilanţ material în jurul coloanei de absorbţie (contur I ) din figura 1.

În continuare se calculează debitele parţiale ale componenţilor în fiecare flux la intrarea şi ieşirea din coloană şi concentraţiile componenţilor în fracţii molare.

1.2 Bilanţul termic pe coloana de absorbţie

Bilanţul termic se efectuează pe conturul I din figura 1 şi are ca scop determinarea temperaturii Tn din baza coloanei de absorbţie şi a temperaturii medii:

(1.1)

unde:

reprezintă debitul de gaz purtător (metan) la intrarea/ieşirea din coloană, kg/h;

- entalpia în fază vapori a gazului purtător la temperatura Tn+1, respectiv T1, kJ/kg;

- debitul de CO2 la intrarea/ieşirea din coloană, kg/h

- entalpia în fază vapori a CO2 temperatura T n+1, respectiv T1, kJ/kg;

- debitul de absorbant sărac, kg/h;

- entalpia în fază lichidă a absorbantului la temperatura T0, respectiv T n; kJ/kg;

- debitul de CO2 absorbit, kg/h;

-entalpia în fază lichidă a CO2 absorbit la temperatura T n; kJ/kg;

Considerând că atât gazul purtător (metanul) cât şi absorbantul au aceeaşi compoziţie la intrarea şi ieşirea din coloană, se poate scrie:

(1.2)

(1.3)

unde: reprezintă căldura specifică medie izobară a gazului purtător, kJ/kgºC, care se calculează cu relaţii din literatură [5, pg.139];

- căldura specifică medie a absorbantului, kJ/kgºC, care se citeşte din grafice din literatură [7, pg.165];

- temperatura la vârful coloanei, care se estimează astfel: ;

- temperatura la baza coloanei, care se estimează astfel: .

De asemenea, ţinând seama de căldura de reacţie [7, pg.141] şi de faptul că debitul de absorbant la ieşirea din coloană este foarte mic şi se poate neglija, relaţia (1.1) se reduce la forma:

(1.4)

Din relaţia (1.4) se obţine [7, pg.165]:

(1.5)

1.3 Determinarea numărului de talere teoretice din coloana de absorbţie

Numărul de talere teoretice se determină prin metoda grafică simplificată [4, pg.398; 7, pg.147; 9, pg.163; 10, pg.22] bazată pe curba de echilibru pentru sistemul CO2 - DEA la presiunea din coloană şi pe aşa numita dreaptă de operare. Curba de echilibru X-Y se calculează pornind de la valorile presiunii parţiale CO2 citite din grafice din literatură [7, pg.321] pentru diferite valori de X şi la temperatura medie pe coloana de absorbţie. Dreapta de operare trece prin punctele definite de concentraţiile fluxurilor în contracurent la extremităţile coloanei şi anume punctul A (Xo, Y1) şi punctul B (Xn, Yn+1). Concentraţia Xn se alege astfel încât prin plasarea corespunzătoare a punctului B să rezulte 2-3 talere teoretice. Datorită faptului că valorile Y variază pe un domeniu foarte mare, reprezentarea grafică exactă în coordonate rectangulare necesită o dimensiune mare a graficului pe ordonată. De aceea, în acest caz se apelează la graficul semilogaritmic unde dreapta de operare devine o curbă [7, pg.147]. Pentru reprezentarea ei sunt necesare şi alte puncte intermediare în afara punctelor extreme A şi B. Calculul lor se face cu ecuaţia dreptei de operare [7, pg.83] dând valori lui X între X0 şi Xn