В настоящее время добыча содержащего сероводород природного газа
составляет существенную часть всего объёма потребляемого природного газа.
При этом содержание сероводорода в природных газах колеблется в широких
пределах от долей процента до нескольких десятков процентов. Такой газ пе-
ред подачей потребителю подвергают очистке от сероводорода ввиду ядовито-
сти и высокой коррозионной активности последнего. Также сероводород явля-
ется ядом для многих катализаторов, применяемых в различных химических
процессах переработки природного газа.
В настоящее время для очистки природного газа от сероводорода и дру-
гих соединений серы применяют различные процессы, которые условно можно
разбить на следующие группы:
1) хемосорбционные процессы, основанные на химическом взаимодейст-
вии сероводорода и других соединений серы с активной частью абсорбента;
2) процессы физической абсорбции, в которых извлечение соединений
серы происходит за счёт их растворимости в органических поглотителях;
3) комбинированные процессы, использующие одновременно химические
и физические поглотители;
4) окислительные процессы, основанные на необратимом превращении
сероводорода в серу;
5) адсорбционные процессы, основанные на извлечении серосодержащих
компонентов газа твёрдыми поглотителями.
Выбор процесса очистки природного газа от сернистых соединений опре-
деляется экономикой и зависит от многих факторов, основными из которых яв-
ляются: состав и параметры сырья, требуемая степень очистки и область ис-
пользования очищенного газа, наличие и параметры энергоресурсов, способы
переработки или утилизации отходов. Анализ мировой практики, накопленной
в области очистки природного газа, показывает, что основными процессами,
применяемыми для обработки больших потоков газа, являются абсорбционные
| Page 6 |
6
процессы с использованием химических и физических абсорбентов. Окисли-
тельные и адсорбционные процессы применяют, как правило, для очистки не-
больших потоков природного газа, либо для тонкой очистки.
Из хемосорбентов применяют щёлочи (едкий натрий и калий), карбонаты
щелочных металлов и наиболее широко – алканоламины. Основным преимуще-
ством хемосорбционных процессов является высокая и надёжная степень очи-
стки газа независимо от парциального давления извлекаемых компонентов, а
также низкая абсорбция углеводородных компонентов сырьевого газа. Основ-
ной недостаток хемосорбентов заключается в их потере в результате необрати-
мых химических реакций с различными примесями, содержащимися в природ-
ном газе. Также процесс хемосорбции экзотермичен, поэтому при его проведе-
нии часто требуется осуществлять отвод тепла, что влечёт усложнение обору-
дования.
При физической абсорбции извлечение сероводорода и других сернистых
соединений происходит за счёт физического растворения их в применяемом аб-
сорбенте. Растворения способствует повышение давления в абсорбере и пони-
жение температуры, поэтому процесс физической абсорбции проводят при зна-
чительных давлениях (достигающих нескольких десятков атмосфер).
Это суще-
ственно увеличивает энергозатраты на проведение процесса очистки. Однако
лёгкость регенерации физических абсорбентов в значительной мере компенси-
рует повышенные энергозатраты на стадии абсорбции. Процесс физической аб-
сорбции имеет незначительный экзотермический эффект, а, следовательно, от-
вода тепла не требуется. При физической абсорбции осуществляется удаление
не только сероводорода и других сернистых соединений, но и углекислого газа,
а также иногда и влаги. Существенным недостатком физических абсорбентов
является их способность частично растворять углеводороды, удаление которых
из природного газа не требуется.
Из физических абсорбентов промышленное применение для очистки при-
родного газа нашли метанол, N-метилпирролидон, пропиленкарбонат, диалки-
ловые эфиры полиэтиленгликоля.
| Page 7 |
7
Табл. 1. Основные процессы очистки природного газа, синтез-газа и нефтезаводских
газов (по состоянию на 1997 г.) [1, с. 253]
Процесс
Абсорбент
Число установок
Химические абсорбенты
Амин-гард
Адип
Экономин
Ди- или моноэтаноламин + вода
Диизопропаноламин + вода
Дигликольамин + вода
375
370
30
Физические абсорбенты
Ректизол
Пуризол
Флюор
Селексол
Сепасолв-МПЕ
Холодный метанол
N-метилпирролидон
Пропиленкарбонат
Диметиловый эфир полиэтиленгликоля
Диалкиловый эфир полиэтиленгликоля
70
5
12
50
4
Комбинированные абсорбенты
Сульфинол
Оптизол
Флексорб
Укарсол
Диизопропаноламин + сульфолан + вода
Амин + физический растворитель + вода
Пространственно затруднённый амин + фи-
зический растворитель + вода
Вторичный или третичный амин + физиче-
ский растворитель + вода
180
6
30
6
Наиболее эффективными физическими абсорбентами для очистки при-
родных газов от сернистых соединений и углекислого газа являются абсорбен-
ты на основе алкиловых эфиров полиэтиленгликолей. Абсорбент «Селексол»,
разработанный фирмой «Allied Chemical Corporation» (США), представляет со-
бой смесь диметиловых эфиров полиэтиленгликолей со средней молекулярной
массой 280-310 кг/кмоль. Преимуществом процесса являются: селективное уда-
ление сероводорода, низкая коррозионная активность, низкая температура за-
мерзания, низкое давление насыщенных паров, термическая стойкость, высокая
гигроскопичность (позволяющая одновременно производить осушку газа).
К
недостаткам следует отнести высокую растворимость углеводородов тяжелее
этана.
Расчёт и проектирование установки для очистки природного газа селек-
солом требует данных по совместной растворимости в селексоле углекислого
газа, сероводорода и других сернистых соединений, а также по растворимости в
селексоле присутствующих в природном газе углеводородов тяжелее этана.
Промышленная установка для очистки природного газа селексолом достаточно
сложна, и обеспечивает осушку природного газа и абсорбцию содержащихся в
| Page 8 |
8
природном примесей, с их последующей десорбцией. Десорбция поглощённых
селексолом примесей производится ступенчато в каскаде газосепараторов и де-
сорберов, что позволяет извлекать примеси избирательно и, тем самым, упро-
щает их дальнейшую переработку. Кроме того, для снижения энергетических
затрат для сброса давления абсорбента после абсорбера вместо простого дрос-
селирования используют гидротурбину. Проектирование такой установки тре-
бует применения специальных программных пакетов – систем автоматизиро-
ванного проектирования (САПР), например, пакета моделирующих программ
ChemCad).
При рассмотрении процесса очистки природного газа абсорбентом «се-
лексол» в учебных целях примем ряд допущений, существенно упрощающих
конструкцию абсорбционной установки и её расчёт.
Список допущений:
1) Природный газ содержит только один поглощаемый селексолом ком-
понент – сероводород, называемый абсорбтивом, другие сернистые соединения,
а также углекислый газ и влага в природном газе не присутствуют.
2) Все углеводородные компоненты природного газа нерастворимы в се-
лексоле, природный газ рассматривается как инерт (абсорбат).
3) Тепловым эффектом поглощения пренебрегаем, считая процесс аб-
сорбции изотермическим.
4) Процесс десорбции упрощаем до одного равновесного десорбционного
аппарата, где десорбция осуществляется путём снижения давления и повыше-
ния температуры, десорбирующие агенты (такие, как воздух, азот или водяной
пар) применяемые для отдувки из селексола поглощённых веществ не исполь-
зуем. Способы понижения давления и повышения температуры перед десорб-
цией подробно не рассматриваем.
Данный ряд допущений позволяет осуществить расчёт абсорбционного
аппарата вручную, без использования САПР.
| Page 9 |
9
Исходные данные
Абсорбтив (извлекаемое вещество A ) – сероводород.
Абсорбент
Абсорбат (инерт G ) – природный газ.
Условия в абсорбере:
1
= 7 МПа, температура t
1
= 25°C.
Условия в десорбере:
2
= 0,1 МПа, температура t
2
= 75°C.
Расходы и составы:
содержание абсорбтива в исходной газовой смеси y
н
= 9 % об. = 0,09
моль A
моль A моль G
объёмный расход исходной газвой смеси (приведённый к нормальным услови-
ям)
0
3
3
75 000
20,83
у н
V
м ч
м с
степень поглощения φ = 0,9,
коэффициент избытка поглотителя r = 1,4.
Характеристики насадки:
тип контактных элементов – керамические кольца Рашига,
размеры контактных элементов N = 25×25×3 мм ,
коэффициент смачиваемости насадки Ψ = 0,7,
отношение фиктивной скорости газа в абсорбере к скорости захлёбывания на-
садки n = 80 %.
| Page 10 |
10
Физические свойства
Абсорбтив
Молекулярная масса сероводорода
34,082
A
M
кг кмоль
[3, с. 13].
Мольный объём сероводорода (для расчёта коэффициента диффузии)
3
2 3,7 25,6 33
A
v
см моль
[4, с. 288].
Вязкость сероводорода при н. у.
0
11,66
A
мкПа с
[3, с. 13].
Константа Саттерленда сероводорода
331
A
C
К
[3, с. 13].
Абсорбент
Молярная масса селексола
295
L
M
кг кмоль
[1, с. 339].
Мольный объём селексола (для расчёта коэффициента диффузии)
3
285
L
v
см моль
[4, с. 288].
Плотность
Плотность селексола при t
1
= 25°С:
3
1
1030
L
кг м
[1, с. 339].
Плотность селексола при t
2
= 75°С:
3
2
1011
L
кг м
(найдено по методу Ганна
и Ямады [2, с. 66].
Вязкость
Вязкость селексола при t
1
= 25°С:
1
5,8
L
мПа с
[1, с. 339].
Абсорбат
Молекулярная масса природного газа
18
G
M
кг кмоль
[5].
Мольный объём природного газа (для расчёта коэффициента диффузии)
3
31,4
G
v
см моль
[5].
Вязкость природного газа при н. у.
0
10
G
мкПа с
[5].
Константа Саттерленда природного газа
246
G
C
К
[5].
| Page 11 |
11
Построение равновесной линии, Растворимость
α
газов в поглотителях выражается в приведённых к нормаль-
ным условиям кубометрах газа, отнесённым к кубометрам жидкого поглотителя
3
3
м A
м L
, либо в приведённых к нормальным условиям кубических сантиметрах
газа, отнесённым к граммам жидкого поглотителя
3
см A
г L
Данные по раствори-
мости представлены в справочной литературе [1] в виде табличной зависимости
растворимости от давления (см. приложение).
Для построения равновесной линии необходимо перевести растворимость, вы-
раженную в
3
3
м A
м L
или в
3
см A
г L
, в относительные мольные доли
X
растворённого
газа (абсорбтива) в поглотителе (абсорбенте)
кмоль A
кмоль L
Пересчёт растворимости в относительные мольные доли, если растворимость
выражена в
3
3
м A
м L
:
0
0
0
0
0
A
A
m
A
L
L
L
L
L
L
L
L
m
L
m
n
V V
V
M
M
X
n
V
M
V
V
V
Пересчёт растворимости в относительные мольные доли, если растворимость
выражена в
3
см A
г L
:
0
0
0
0
0
A
A
m
A
L
L
L
L
L
L
m
m
n
V V
V
M
M
X
n
m M
m V
V
, в соотношении раство-
римость выражена в
3
м A
кг L
, чтобы подставлять растворимость при её табличном
значении, выраженном в
3
см A
г L
, необходимо её разделить на
3
3
6
3
3
10
10
10
м A см A
кг L г L
Таким образом, итоговая формула пересчёта растворимости, выраженной в
3
см A
г L
:
3
0
10
L
m
M
X
V
Относительная мольная доля абсорбтива в газовой фазе находим, как отноше-
ние парциальный давлений:
A
A
G
общ
A
p
p
Y
p
p
p
, где
общ
p
приравниваем к дав-
лению в абсорбере
1
p
, а
A
p
приравниваем к табличному значению давления
чистого абсорбтива над его насыщенным раствором в поглотителе.
| Page 12 |
12
Табл. 2. Расчёт точек равновесной линии по данным о растворимости сероводорода в
селексоле для условий в абсорбере ( t
1
= 25 ° C , p
1
= 7 МПа )
Давление сероводо-
рода над раствором
Растворимость серо-
водорода в селексоле
Относительные мольные доли
в жидкой фазе
в газовой фазе
A
p
, МПа
α
3
3
м A
м L
X ,
кмоль A
кмоль L
Y ,
кмоль A
кмоль G
0,01
0,3
0,003836
0,001431
0,05
1,5
0,01918
0,007194
0,10
3,0
0,03836
0,01449
0,50
14,9
0,1905
0,07692
1,00
29,9
0,3823
0,1667
1,50
44,8
0,5728
0,2727
Рассчитываем точки равновесной линии для абсорбера (
t
1
= 25 °
C
p
1
= 7
МПа
Точка 1:
3
3
0
3
3
1
0,01279
295
0,3
0,003836
1030
22,4
м A
кмоль A
L
кмоль L
м L
L
m
M
кг кмоль
X
V
кг м
м кмоль
1
0,01
0,001431
7
0,01
кмоль A
A
кмоль G
A
p
МПа
Y
p p
МПа
МПа
Точка 2:
3
3
1,5
0,01279 0,01918
м A
кмоль A
кмоль L
м L
X
0,05
0,007194
7
0,05
кмоль A
кмоль G
МПа
Y
МПа
МПа
Точка 3:
3
3
3,0
0,01279 0,03836
м A
кмоль A
кмоль L
м L
X
0,10
0,01449
7
0,10
кмоль A
кмоль G
МПа
Y
МПа
МПа
Точка 4:
3
3
14,9
0,01279 0,1905
м A
кмоль A
кмоль L
м L
X
0,50
0,07692
7
0,50
кмоль A
кмоль G
МПа
Y
МПа
МПа
Точка 5:
3
3
29,9
0,01279 0,3823
м A
кмоль A
кмоль L
м L
X
1,00
0,1667
7
1,00
кмоль A
кмоль G
МПа
Y
МПа
МПа
Точка 6:
3
3
44,8
0,01279 0,5728
м A
кмоль A
кмоль L
м L
X
1,50
0,2727
7
1,50
кмоль A
кмоль G
МПа
Y
МПа
МПа
| Page 13 |
13
Рис. 1. Равновесная линия в условиях абсорбции
| Page 14 |
14
Материальный баланс процесса абсорбции, Газовая фаза, Молярный расход газовой фазы на входе в абсорбер:
0
3
0
3
20,83
0,9301
22,4
y н
y н
m
V
м с
n
кмоль с
V
м кмоль
где
0
m
V – молярный объём при нормальных условиях.
Количество абсорбтива (сероводорода) в газовой фазе на входе в абсорбер:
0,9301
0,09 0,08371
A н
y н
н
n
n
y
кмоль с
кмоль с
0,08371
34,082
2,853
A н
A н
A
m
n
M
кмоль с
кг кмоль
кг с
Количество абсорбата (природного газа) проходящего через абсобер:
1
0,9300
1 0,09 0,8464
G
y н
н
n
n
y
кмоль с
кмоль с
0,8464
18
15,23
G
G
G
m
n M
кмоль с
кг кмоль
кг с
Межфазный поток абсорбтива – количество абсорбтива (сероводорода), пере-
ходящее из газовой фазы в жидкую:
0,08371
0,9 0,07533
A
A н
n
n
кмоль с
кмоль с
0,07534
34,082
2,568
A
A
A
m
n M
кмоль с
кг кмоль
кг с
Массовый расход газовой фазы на входе в абсорбер:
15,23
2,853
18,08
y н
G
A н
m
m
m
кг с
кг с
кг с
Расход газовой фазы на выходе из абсорбера:
0,0753
0,9300
4
0,8547
y
к
н
y
A
n
кмоль с
n
n
кмоль с
кмоль с
18,08
2,568
15,51
y к
y н
A
m
m
m
кг с
кг с
кг с
Относительная мольная доля абсорбтива (сероводорода) в газовой фазе на вхо-
де и выходе абсорбера:
0,09
0,09890
1
1 0,09
н
кмоль A
км ь
н
л G
н
о
y
Y
y
1
0,09890
1 0,9
0,009890
кмоль A
кмоль A
кмоль G
кмол
к
н
ь G
Y Y
| Page 15 |
15
Жидкая фаза, Состав жидкой фазы на входе в абсорбер соответствует составу жидкой фазы
на выходе из десорбера, который находят из равновесной растворимости абсор-
бтива в поглотителе в условиях десорбции ( t
2
= 75 °C , p
2
= 0,1 МПа ):
3
3
0
3
3
2
295
0,9
0,01172
1011
22,4
м A
кмоль A
L
н
кмоль L
м L
L
m
M
кг кмоль
X
V
кг м
м кмоль
Для нахождения минимального расхода абсорбента (поглотителя) необходим
равновесный состав жидкой фазы на выходе из абсорбера, который находим по
равновесной линии (см. рис. 3):
*
0,2375
н
X Y
Минимальный расход поглотителя (селексола):
, min
0,07533
0,3337
*
0,2375 0,01172
A
L
н
н
n
кмоль с
n
кмоль с
X Y
X
Расход поглотителя (селексола):
, min
1,4 0,3337
0,4672
L
L
n
r n
кмоль с
кмоль с
0,4672
295
137,8
L
L
L
m
n M
кмоль с
кг кмоль
кг с
Состав жидкой фазы на выходе из абсорбера:
0,07533
0,01172
0,1730
0,4672
кмоль A
кмоль A
A
к
н
кмоль L
кмоль L
L
n
кмоль с
X
X
n
кмоль с
Расход жидкой фазы на входе в абсорбер:
0,4672
0,4672
0,01172
0,4727
кмоль A
кмоль
кмоль
с
с
x н
L
L
н
кмоль L
n
n
n X
кмоль с
,x н
L
L
н
A
m
m
n X M
137,8
0,4672
0,01172
34,082
138,0
кмоль A
кг
кмоль
кг
с
с
с
кмоль L
кг с
Расход жидкой фазы на выходе из абсорбера:
0,4727
0,07533
0,5480
кмоль
кмоль
с
с
x к
x н
A
n
n
n
кмоль с
138,0
2,568
140,6
x к
x н
A
m
m
m
кг с
кг с
кг с
Результаты расчёта заносим на схему потоков в абсорбере (рис. 2).
| Page 16 |
16
Рис. 2. Схема потоков в абсорбере, Газовая фаза на выходе
из абсорбера:
0,009890
к
Y
0,8547
y к
n
кмоль с
15,51
y к
m
кг с
Жидкая фаза на входе
в абсорбер:
0,01172
н
X
0,4727
x н
n
кмоль с
138,0
x н
m
кг с
Газовая фаза на входе в
абсорбер:
0,09890
н
Y
0,9301
y н
n
кмоль с
18,08
y н
m
кг с
Жидкая фаза на выходе
из абсорбера:
0,1730
к
X
0,5480
x к
n
кмоль с
140,6
x к
m
кг с
Межфазный поток:
0,07533
A
n
кмоль с
2,568
A
m
кг с
Поток абсорбата:
0,8363
G
n
кмоль с
15,23
G
m
кг с
Поток абсорбтива:
0,4672
L
n
кмоль с
137,8
L
m
кг с
| Page 17 |
17
Построение рабочей линии, Рабочая линия процесса абсорбции в относительных долях представляет собой
прямую линию, уравнение которой может быть получено из уравнения матери-
ального баланса процесса абсорбции:
G
н
к
L
к
н
n Y Y
n
X
X
заменяем
к
X на переменный аргумент X ,
н
Y на функцию от аргумента Y :
G
к
L
н
n Y Y
n
X X
L
н
к
G
n
Y
X X
Y
n
L
L
к
н
G
G
n
n
Y
X Y
X
n
n
таким образом, уравнение рабочей линии имеет вид: Y a X b
, где коэффи-
циент (тангенс угла) наклона рабочей линии
L
G
n
a
n
, а отрезок, отсекаемый ра-
бочей линией на вертикальной оси
L
к
н
G
n
b Y
X
n
Определим численные значения коэффициентов рабочей линии:
0,4616
0,5520
0,8363
L
G
n
кмоль с
a
n
кмоль с
(данная величина называется удельным рас-
ходом поглотителя l и может быть найдена из материального баланса
0,09890 0,009890
0,5520
0,1730 0,01172
н
к
к
н
Y Y
l
X
X
;
0,00989 0,5520 0,01172
0,00342
к
н
b Y a X
Для построения рабочей линии на графике воспользуемся двумя известными
точками:
точка для верха колонны
0,01172
н
X
0,009890
к
Y
;
точка для низа колонны
0,1730
к
X
0,09890
н
Y
| Page 18 |
18
Рис. 3. Рабочая и равновесная линии процесса абсорбции
| Page 19 |
19
Расчёт движущей силы процесса абсорбции, Средняя логарифмическая разность концентраций, В случае если равновесная линия близка к прямой, движущая сила процесса аб-
сорбции может быть найдена как среднее логарифмическое значение разностей
рабочей и равновесной концентрации для нижнего и верхнего сечения абсорбе-
ра (рис. 4).
Рис. 4. Среднее логарифмическое значение разности концентраций
| Page 20 |
20
По линии равновесия (рис. 4) находим значения равновесного содержания аб-
сорбтива для нижнего и верхнего сечения абсорбера:
низ
*
0,06973
к
Y X
верх
*
0,00439
н
Y X
Движущая сила в нижнем сечении абсорбера:
*
0,09890 0,06973 0,02917
низ
н
к
Y
Y Y X
Движущая сила в верхнем сечении абсорбера:
*
0,00989 0,00439 0,0550
верх
к
н
Y
Y Y X
Средняя логарифмическая движущая сила процесса абсорбции:
0,02917 0,00550
0,01418
0,02917
ln
ln
0,00550
низ
верх
ср лог
низ
верх
Y
Y
Y
Y
Y
Средняя интегральная разность концентраций, Если равновесная линия отклоняется от прямой, следует определить движущую
силу через число единиц переноса, которые могут быть найдены графическим
методом (рис. 5).
Для этого необходимо построить функцию
1
*
f Y
Y Y
, где
Y и Y * взяты при одном и том же X , и посчитать площадь криволинейной тра-
пеции, ограниченной пределами от Y
к
до Y
н
Для этого необходимо разбить рас-
сматриваемую фигуру на равные квадраты, посчитать их количество и площадь
каждого квадрата, как произведение длин сторон квадрата, выраженных в ко-
ординатах соответствующих осей.
Площадь криволинейной трапеции:
30,7 0,01 20 6,140
S n s n a b
Число единиц переноса по газовой фазе:
1
6,140
*
н
к
Y
y
Y
N
S
Y Y
Средняя интегральная движущая сила процесса абсорбции:
0,09890 0,00989
0,01450
6,140
н
к
ср инт
y
Y Y
Y
N
| Page 21 |
21
Рис. 5. Графическое определение числа единиц переноса, Очевидно, что если равновесная линия вогнутая, то
ср лог
ср инт
Y
Y
, для вы-
пуклой равновесной линии
ср лог
ср инт
Y
Y
| Page 22 |
22
Расчёт диаметра абсорбера, Характеристики насадки [6, с. 196, табл. 5.1]:
насадка неупорядоченная из керамических колец Рашига 25×25×3 мм,
удельная поверхность
2
3
200
a
м м
свободный объём (порозность)
3
3
0,74
м м
эквивалентный диаметр
0,015
э
d
м
Диаметр абсорбера должен обеспечивать стабильную работу абсорбера в плё-
ночном режиме, для этого скорость газовой фазе в абсорбере должна быть
меньше предельной скорости (скорости захлёбывания).
Если пренебречь гид-
равлическим сопротивлением насадки, изменением объёмного расхода жидкой
фазы и изменением температуры за счёт теплового эффекта смешения, то наи-
больший объёмный расход газовой фазы будет наблюдаться в нижнем сечении
абсорбера. Соответственно, предельную скорость следует находить именно для
этого сечения.
Скорость захлёбывания (предельная скорость) определяется решением уравне-
ния:
1
1
0,16
2
4
8
3
lg
y пр
y н
x к
x к
y н
x к
в
у н
x к
w
a
m
A B
g
m
Для неупорядоченной насадки (кольца Рашига внавал)
0,073
A
1,75
B
[6, с. 197].
Поскольку влияние концентрации растворённого в абсорбенте абсорбтива на
свойства жидкой фазы неизвестно, то плотность и вязкость жидкой фазы при-
нимаем равными плотности и вязкости абсорбента:
3
1030
x к
L
кг м
5,8
x к
L
мПа с
Формула для нахождения скорости захлёбывания насадки была получена для
воды при температуре 20ºС, для распространения формулы на другие жидкости
в неё
был
введён
корректирующий
множитель
0,16
, x к
в
, где
1,0026
в
мПа с
- вязкость воды при 20ºС.
| Page 23 |
23
Молярная масса и плотность газовой фазы в нижнем сечении:
1
y н
A
н
G
н
M
M y M
y
34,082
0,09 18
1 0,09 19,45
кг
кг
кг
кмоль
кмоль
кмоль
0
0
3
3
0
19,45
273,15
7
54,95
22,4
273,15 25
0,101325
y н
y н
m
M
T p
кг кмоль
К
МПа
кг
V
T p
м кмоль
К
МПа
м
Расчёт предельной скорости:
1
1
1
1
3
4
8
8
4
3
140,6
54,95
0,073 1,75
2,099
18,08
1030
x к
y н
у н
x к
m
кг с
кг м
A B
m
кг с
кг м
;
0,16
3
y н
x к
x к
в
a
g
3
3
0,16
2
3
3
3
3
2
200
54,95
5,8
3,554
1030
1,0026
9,81
0,74
м
м
м м
кг м
мПа с
кг м
мПа с
м с
;
2,099
10
0,04733
3,554
y пр
w
м с
По условию отношение фиктивной скорости газа в абсорбере к скорости захлё-
бывания насадки n = 80 %, следовательно, скорость газа в абсорбере:
0,04733
0,8 0,03786
y
y пр
w
w
n
м с
м с
Объёмный расход газовой фазы на входе при рабочих условиях:
0
3
3
0
0
273,15 25
0,101325
20,83
0,3291
273,15
7
y н
y н
К
T p
МПа
V
V
м с
м с
T
p
К
МПа
Ориентировочная площадь сечения абсорбера:
3
2
0,3291
8,693
0,03786
y н
ор
y
V
м с
S
м
w
м с
Ориентировочный диаметр абсорбера:
2
4
4 8,693
3,327
3,142
ор
ор
S
м
D
м
Выберем ближайший больший стандартный диаметр колонны [6, c. 197]:
3,4
D
м
| Page 24 |
24
Расчёт коэффициента массоотдачи в газовой фазе, Абсолютная мольная доля абсорбтива в газовой фазе в верхнем сечении:
0,009890
0,009793
1
1 0,009890
к
к
к
Y
y
Y
Молярная масса и плотность газовой фазы в верхнем сечении:
1
y к
A
к
G
к
M
M y
M
y
34,082
0,009793 18
1 0,009793 18,17
кг
кг
кг
кмоль
кмоль
кмоль
0
0
3
3
0
18,17
273,15
7
51,33
22,4
273,15 25
0,101325
y к
y к
m
M
T
p
кг кмоль
К
МПа
кг
V
T p
м кмоль
К
МПа
м
Средняя плотность газовой фазы:
3
3
3
54,95
51,33
53,14
2
2
y н
y к
y ср
кг м
кг м
кг м
Вязкость абсорбтива при нормальных условиях и константа Саттерленда:
0
11,66
A
мкПа с
,
331
A
С
К
[3, с. 12].
Вязкость абсорбата при нормальных условиях и константа Саттерленда:
0
10
G
мкПа с
,
246
G
C
К
[5].
Вязкость абсорбтива при условиях абсорбции:
1,5
0
0
0
A
A
A
A
T C
T
T C
T
1,5
273,15 331
273,15 25
11,66
12,77
273,15 25 331
273,15
мкПа с
мкПа с
Вязкость абсорбата при условиях абсорбции:
1,5
0
0
0
G
G
G
G
T C
T
T C
T
1,5
273,15 246
273,15 25
10
10,88
273,15 25 246
273,15
мкПа с
мкПа с
| Page 25 |
25
Вязкость газовой фазы в нижнем сечении:
1
y н
y н
G
н
A
н
A
G
M
M
y
M y
19,45
11,14
18
1 0,09
34,082
0,09
12,77
10,88
кг кмоль
мкПа с
кг кмоль
кг кмоль
мкПа с
мкПа с
Вязкость газовой фазы в верхнем сечении:
1
y к
y к
G
к
A
к
A
G
M
M
y
M y
18,17
10,91
18
1 0,009793
34,082
0,009793
12,77
10,88
кг кмоль
мкПа с
кг кмоль
кг кмоль
мкПа с
мкПа с
Средняя вязкость газовой фазы:
11,14
10,91
11,03
2
2
y н
y к
y ср
мкПа с
мкПа с
мкПа с
.
Площадь сечения колонны:
2
2
2
3,4
3,142
9,079
4
4
м
D
S
м
Скорость газовой фазы в нижнем сечении колонны:
3
2
0,3291
0,03625
9,079
y н
y н
V
м с
w
м с
S
м
Молярный объём в условиях абсорбции:
3
3
0
0
0
273,15 25
0,101325
22,4
0,3539
273,15
7
m
m
К
T p
м
МПа
м
V
V
T p
кмоль
К
МПа
кмоль
Объёмный расход газовой фазы на выходе при рабочих условиях:
3
3
0,8547
0,3539
0,3025
y к
y к
m
V
n
V
кмоль с
м кмоль
м с
| Page 26 |
26
Скорость газовой фазы в нижнем сечении колонны:
3
2
0,3025
0,03332
9,079
y н
y н
V
м с
w
м с
S
м
Средняя скорость газовой фазы:
0,03625
0,03332
0,03478
2
2
y н
y к
y ср
w
w
м с
м с
w
м с
Критерий Рейнольдса для газовой фазы:
3
3
3
0,03478
0,015
53,14
Re
3397
0,74
11,03
y ср
э
y ср
y
y ср
w
d
м с
м
кг м
м м
мкПа с
Коэффициент диффузии в газовой фазе:
2
1,5
2
1 3
1 3
4,22 10
1
1
y
A
G
A
G
T
D
M
M
p v
v
1,5
2
7
2
2
6
1 3
1 3
4,22 10
273,15 25
1
1
2,246 10
33,082
18
7 10
33
31,4
кг
кг
кмоль
кмоль
К
м с
Па
Диффузный критерий Прандтля для газовой фазы:
3
7
2
11,03
Pr
0,9243
53,14
2,246 10
y ср
y
y ср
y
мкПа с
D
кг м
м с
Диффузный критерий Нуссельта для газовой фазы при неупорядоченной насад-
ке:
0,665
0,33
0,665
0,33
0,407 Re
Pr
0,407 3397
0,9243
88,41
y
y
y
Nu
Объёмный коэффициент массоотдачи для газовой фазы:
7
2
3
3
2
2,246 10
88,41
1,324 10
0,015
y
y V
y
э
D
м с
м
Nu
d
м
м с
Мольный коэффициент массоотдачи для газовой фазы:
3
3
2
3
3
2
1,324 10
0,3539
3,740 10
м
м
y
y V
m
кмоль
м с
кмоль
V
м с
| Page 27 |
27
Расчёт коэффициента массоотдачи в жидкой фазе, Поскольку влияние концентрации растворённого в абсорбенте абсорбтива на
свойства жидкой фазы неизвестно, то плотность орошения (являющуюся фик-
тивной скоростью жидкой фазы) рассчитываем по чистому абсорбенту:
3
3
2
2
1
137,8
0,01474
1030
9,079
x ср
L
L
L
V
V
m
кг с
м
U
S
S
S
кг м
м
м с
Модифицированный критерий Рейнольдса для стекающей по насадке плёнки
жидкости:
3
2
3
1
2
3
4 0,01474
1030
4
Re
55,19
200
5,8
м
L
м с
x
L
кг м
U
a
м м
мПа с
Коэффициент диффузии в жидкой фазе при 20°С [4, с. 289, ф-ла 6.22]:
6
, 20
2
1 3
1 3
, 20
10
1
1
x
С
A
L
x
С
A
L
D
M
M
A B
v
v
6
10
2
2
1 3
1 3
10
1
1
7,812 10
33,082
295
1 1 6,0
33
285
кг
кг
кмоль
кмоль
м с
мПа с
Температурный коэффициент:
, 20
3
3
3
, 20
6,0
0,2
0,2
0,04848
1032
L
С
L
С
мПа с
b
кг м
Коэффициент диффузии в жидкой фазе [4, с. 289, ф-ла 6.23]:
, 20
1
1
20
x
x
C
D
D
b t
10
2
10
2
7,812 10
1 0,04848 25 20
9,706 10
м с
м с
Коэффициент диффузии в жидкой фазе также может быть найден по формуле
для разбавленных растворов [4, с. 289, ф-ла 6.25]:
12
1
0,6
7,4 10
L
x
L
A
T
M
D
v
12
10
2
0,6
273,15 25
1 295
7,4 10
8,015 10
5,8
33
кг
кмоль
К
м с
мПа с
| Page 28 |
28
Расчёт по формуле 6.25 рекомендуется выполнять для отрицательных темпера-
тур, для которых невозможно использование формулы 6.23.
Диффузный критерий Прандтля для жидкой фазы:
3
10
2
1
5,8
Pr
5802
1030
9,706 10
x
L
x
x
x
L
x
мПа с
D
D
кг м
м с
Диффузный критерий Нуссельта для жидкой фазы:
0,75
0,5
0,75
0,5
0,0021 Re
Pr
0,0021 55,19
5802
3,239
x
x
x
Nu
Приведённая толщина стекающей по насадке плёнки жидкости:
1
1
2
3
3
2
3
4
2
2
3
2
1
5,8 10
1,476 10
1030
9,81
L
пр
L
Па с
м
g
кг м
м с
Объёмный коэффициент массоотдачи для жидкой фазы:
10
2
3
5
4
2
9,706 10
3,239
2,130 10
1,476 10
x
x V
x
пр
D
м с
м
Nu
м
м с
Молярный коэффициент массоотдачи для жидкой фазы:
3
3
5
5
2
2
1030
2,130 10
7,437 10
295
L
x
x V
L
м
кг м
кмоль
M
м с
кг кмоль
м с
| Page 29 |
29
Расчёт коэффициента массопередачи, Если равновесная линия отклоняется от прямой, константа фазового равновесия
m не постоянна, и зависит от концентрации. Требуется определить среднее зна-
чение константы фазового равновесия в интервале от X
н
до X
к
- Для этого разби-
ваем отрезок оси от X
н
до X
к
на две равные части, полученные два отрезка также
разбиваем на две равные части, и полученные четыре отрезка ещё раз разбива-
ем на две равные части (рис. 6).
Получаем семь промежуточных значений (зна-
чения X
н
и X
к
не учитываем), для которых находим точки на равновесной ли-
нии. В каждой точке проводим касательную и определяем тангенс её наклона
(например, как отношение противолежащего катета к прилежащему для до-
строенного для этой касательной прямоугольного треугольника произвольного
размера).
X
m = dY/dX
0,03212
0,3814
0,05252
0,3876
0,07291
0,3942
0,09331
0,4014
0,11371
0,4090
0,13411
0,4171
0,15450
0,4257
Находим среднее арифметическое всех полученных таким образом значений
константы фазового равновесия:
0,3814 0,3876 0,3942 0,4014 0,4090 0,7171 0,4257
0,4023
7
i
n
m
m
n
Коэффициент массопередачи по газовой фазе:
2
2
1
1
4
3
5
2
1
1
0,4023
1,762 10
3,740 10
7,437 10
y
кмоль
кмоль
y
x
м с
м с
m
кмоль
K
м с
| Page 30 |
30
Рис. 6. Определение константы фазового равновесия
| Page 31 |
31
Расчёт высоты колонны, Необходимая поверхность контакта фаз:
2
2
4
0,07533
29 492
1,762
0,
1
0145
0
0
A
кмоль
y
ср
м с
n
кмоль с
F
м
K
Y
Высота насадки:
2
2
3
2
29 492
23,2
200
9,079
0,7
нас
F
м
H
м
a S
м м
м
Высота слоя насадки в одной секции составляет 3 м [6, с. 436].
Число секций насадки (с округлением в большую сторону):
23,2
7,73 8
3
нас
с
с
H
м
N
h
м
Высота сепарационного пространства над насадкой [6, с. 235]:
1,4
в
z
м
Расстояние между днищем колонны и насадкой [6, с. 235]:
2,5
н
z
м
Высота перераспределительной тарелки [6, с. 220]:
0,915
п
h
м
Высота колонны:
1
2,5 8 3 8 1 0,915 1,4 34,305
кол
н
с
с
с
п
в
H
z
N h
N
h z
м
| Page 32 |
32
Заключение, Выполнен расчёт насадочного абсорбера для очистки
3
75 000
м ч
природного
газа от содержащегося в нём сероводорода с помощью абсорбента «селексол»
(диметиловый эфир полиэтиленгликоля).
Определён расход абсорбента, кото-
рый при заданных условиях проведения процесса составит
138
497
кг с
т ч
Рассчитаны габаритные размеры абсорбера: диаметр 3,4
м
, высота 34,3
м
| Page 33 |
33
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/absorberyi/
1. Мурин В. И., Кисленко Н. Н. Технология переработки природного газа и
конденсата. Справочник: В 2-х ч. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002. —
517 с.
2. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Справочное
пособие. Л. Химия. 1977.
3. Бобылёв В. Н. Физические свойства наиболее известных химических ве-
ществ: Справочное пособие. РХТУ им. Д. И. Менделеева. М., 2003.
4. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу про-
цессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов. Л.
Химия. 1987.
5. ГОСТ 30319.1-96
6. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по про-
ектированию / Под ред. Ю. И. Дытнерского, М. Химия. 1991.
| Page 34 |
34
Приложение, Сводная таблица результатов расчёта, Наименование величины
Обознач.
Единица
изм.
Значение
Молярный межфазный поток
Δṅ
A
кмоль/с
Молярный расход абсорбата
ṅ
G
кмоль/с
Относительная молярная доля в газовой фазе на входе (низ колонны)
Y
н
кмоль/кмоль
Относительная молярная доля в газовой фазе на выходе (верх колонны)
Y
к
кмоль/кмоль
Относительная молярная доля в жидкой фазе на входе (верх колонны)
X
н
кмоль/кмоль
Молярный коэффициент распределения
m
кмоль/кмоль
Минимальный молярный расход абсорбента
ṅ
L min
кмоль/с
Молярный расход абсорбента
ṅ
L
кмоль/с
Относительная молярная доля в жидкой фазе на выходе (низ колонны)
X
к
кмоль/кмоль
Средняя движущая сила
ΔY
ср
кмоль/кмоль
Предельная скорость газа в колонне
w
y пр
м/с
Ориентировочный диаметр колонны
D
ор
м
Критерий Рейнольдса для газовой фазы
Re
y
Коэффициент диффузии в газовой фазе
D
y
10
-7
м
2
/с
Криетрий Прандтля для газовой фазы
Pr
y
Критерий Нуссельта для газовой фазы
Nu
y
Молярный коэффициент массоотдачи в газовой фазе
β
y
кмоль/(м
2
·с)
Критерий Рейнольдса для стекающей плёнки жидкости
Re
x
Коэффициент диффузии в жидкой фазе при 20оС
D
x 20
10
-9
м
2
/с
Коэффициент диффузии в жидкой фазе
D
x
10
-9
м
2
/с
Критерий Прантля для жидкой фазы
Pr
x
Толщина стекающей по насадке плёнки
δ
пр
мкм
Критерий Нуссельта для газовой фазы
Nu
x
Молярный коэффициент массоотдачи в жидкой фазе
β
x
кмоль/(м
2
·с)
Молярный коэффициент массопередачи по газовой фазе
K
y
кмоль/(м
2
·с)
Поверхность массопередачи
F
м
2
Высота насадки
H
нас
м
Высота колонны
H
кол
м
| Page 35 |
35
Характеристики насадок [6, с. 196, табл. 5.1]
| Page 36 |
36
Значения коэффициентов A и B для уравнения расчёта предельной скорости газовой
фазы в насадке [6, с. 197]
Ряды диаметров колонн [6, с. 197], Высота сепарационного пространства над насадкой (меду насадкой и крышкой колон-
ны) и под насадкой (между днищем колонны и насадкой) [6, с. 235]
