Разработка предложений по очистке природного газа и переработки кислых газов с получением товарной продукции (серы) (на примере Карачаганакского месторождения) (стр. 11 из 18)

(3.6)

Рисунок 9. Зависимость между содержанием кислых газов (Н₂S) в природном газе

и поглотителем метанолом при минус 45^оС.

Из уравнения (3.6) получим соотношения между весовыми потоками распределяющих фаз:

(3.7)

Рисунок 10. Схема распределения концентрации в газовом и жидкостном потоках в абсорбере

Интегрируя уравнение (3.5) в пределах от начальных до текущих

и , получим:

откуда:

(3.8)

Или

(3.9)

где

- удельный расход одной из определяющих фаз.

Аналогичным путем для противоточного (течения) взаимодействия фаз может быть получено уравнение:

(3.10)

где

Из уравнений (3.9) и (3.10) следует, что концентрация распределяемого вещества в фазах G и L связана линейной зависимостью. Поэтому удобно процессы массообмена представлять графически в координатах

, т.е. в виде зависимости между так называемыми рабочими концентрациями /21/.

Расход инертной части газа:

G = V₀(1 – у_об)(у_0у – у_н) (3.11)

где у_об – объемная доля Н₂S в природном газе, равная

где v₀ – объем 1 моля воздуха, равная 22,4 · 10^-3 м³/моль;

– молярная масса Н₂S, равная 32 · 10^-3 кг/моль

Тогда

G = 15,85 (1 – 0,602)(0,724 – 0,914) = 1,199 кг/с

Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту

(3.12)

Расход поглотителя (метанола) равен:

(3.13)

Тогда соотношение расходов фаз, или удельный расход поглотителя составит:

Масса поглощаемого вещества и расход поглотителя на вторую ступень определяется по формулам, приведенным выше:

Все кинетические закономерности, использованные для расчета конечной концентрации примесей в поглотителе для первой ступени абсорбции, сохраняются для расчета конечной концентрации примесей во второй ступени абсорбции. В этом случае для определения конечной концентрации используют данные по равновесию по рисунку 14 и находят по уравнению (3.4):

где

- концентрация остаточного Н₂S в жидкости (метаноле), равновесная с газом входящего состава.

Рисунок 11. Зависимость между Н₂S в природном газе

и поглотителем при минус 45^о для второй ступени абсорбции.

Расход инертной части газа находят по уравнению (3.11)

G = 15,85 (1 – 0,602)(0,724 – 0,025) = 4,41 кг/с

Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту:

Расход поглотителя:

Соотношение расходов фаз, или удельный расход поглотителя, составит:

3.3.2 Движущая сила массопередачи

Движущая сила в соответствии с уравнением (3.1) может быть выражена в единицах концентраций как жидкой, так и газовой фаз. Для случая линейной равновесной зависимости между составами фаз, принимая модель идеального вытеснения в потоках обеих фаз, определим движущую силу в единицах концентрации газовой фазы /19/.

(3.14)

где

и - большая и меньшая движущие силы на входе потоков в абсорбер и на выходе из него, кг Н₂S/кгГ, в соответствии с рисунками

В данном случае

где

и - концентрации Н₂S в природном газе, равновесные с концентрациями в жидкой фазе (поглотителе) соответственно на входе и выходе абсорбера, в соответствии с рисунком

Движущая сила массопередачи для второй ступени определяется по формуле:

(3.15)

где

и – большая и меньшая движущие силы на входе и выходе во вторую ступень абсорбера, кг Н₂S/кгГ, в соответствии с рисунками

где

и – концентрации остаточных Н₂S в природном газе, равновесные с концентрациями в жидкой среде, соответственно на входе и выходе второй ступени абсорбера, в соответствии с рисунком

3.3.3 Коэффициент массопередачи

Коэффициент массопередачи К_у находят по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений /19/.

(3.16)

где

и - коэффициенты массоотдачи соответственно в жидкой и газовой фазах, кг/(м² · с); m – коэффициент распределения, кгМ/кгГ.

Для расчета коэффициентов массопередачи необходимо выбрать тип насадки и рассчитать скорости в абсорбере. При выборе типа насадки для проведения массообменных процессов, как описано выше, руководствуются следующими соображениями /5, 19, 20, 21/:

во-первых, конкретными условиями процесса – нагрузками по газу, жидкости, различиями в физических свойствах систем, наличием в потоках жидкости и газа механических примесей, поверхностью контакта фаз в единице объема аппарата и т.д.;

во-вторых, особыми требованиями к технологическому процессу – необходимостью обеспечить небольшой перепад давления в колонне, широкий интервал изменения устойчивости работы, малое время пребывания жидкости в аппарате и т.д.

в-третьих, особыми требованиями к аппаратурному оформлению – создание единичного или серийно выпускаемого аппарата малой или большой единичной мощности, обеспечение возможности работы в условиях сильно коррозионной среды, создание условий повышенной надежности и т.д.

В нефтегазоперерабатывающей промышленности особое значение при выборе насадки имеют следующие факторы: малое гидравлическое сопротивление абсорбера, возможность быстро и дешево удалять с поверхности насадки отлагающийся шлам и т.д. в данном случае, когда газ очищается под повышенным давлением, гидравлическим сопротивлением можно пренебречь. Поэтому наиболее эффективна насадка, имеющая меньший эквивалентный диаметр, а следовательно, меньший коэффициент свободного объема и большую удельную поверхность. В промышленной аппаратуре чаще всего используются кольцевая насадка и дробленный кусковый материал.