Разработка предложений по очистке природного газа и переработки кислых газов с получением товарной продукции (серы) (на примере Карачаганакского месторождения) (стр. 12 из 18)

В рассматриваемом случае для первой ступени выберем керамические кольца Рашига в навал размером 10х10х1,5 мм. Удельная поверхность насадки а = 440 м²/м³, свободный объем Е = 0,7 м³/м³, эквивалентный диаметр d_э = 0,006 м, насыпная плотность ρ = 700 кг/м³, число штук 700000 в 1 м³ /20/.

Для второй ступени абсорбции рекомендуется выбрать самую дешевую, но тем не менее надежную деревянную хордовую насадку, размером 10х100 мм с шагом в свету 10 мм. Удельная поверхность насадки а = 100 м²/м³; свободный объем Е = 0,55 м³/м³, эквивалентный диаметр d_э = 0,022 м, насыпная плотность ρ = 210 кг/м³ /20/.

3.3.4 Скорость газа и диаметр абсорбера

Предельную скорость газа, выше которой наступает захлебывание насадочных абсорберов, можно рассчитать по уравнению /19/.

(3.17)

где w_пр – предельная фиктивная скорость газа, м/с; μ_х, μ_в – вязкость соответственно поглотителя и воды при температуре в абсорбере минус 20^о, Па·С; А, В – коэффициенты, зависящие от типа насадки; L и G – расходы фаз, кг/с. Значения коэффициентов А = - 0,073; В = 1,75 /5, 20/.

Пересчитаем плотность газа на условия в абсорбере:

Предельную скорость w_пр находим из уравнения (3.16), принимая при этом, что отношение расходов фаз в случае разбавленных смесей приблизительно равно отношению расходов инертных фаз:

Решая это уравнение, получим w_пр = 10,3 м/с.

Выбор рабочей скорости обусловлен многими факторами. В общем случае ее находят путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса /5/. В данном случае абсорбция проводится под повышенным давлением, то, как указывалось ранее, потеря напора на преодоление гидравлического сопротивления абсорбера в данном случае составляет незначительную долю общего давления в системе и не оказывает существенного влияния на экономические показатели абсорбционной установки. При этом целесообразно использовать небольшие возможные скорости газа в абсорбере, близкие к предельной, т.е. равной 0,4 ÷ 0,5 от предельной /19, 21/.

Примем

w = 0,5w_пр = 0,5 · 10,3 = 5,15 м/с

Диаметр абсорбера находят из уравнения расхода:

(3.18)

где V – объемный расход газа при условиях в абсорбере, м³/с. Отсюда:

Выбираем стандартный диаметр обечайки абсорбера d = 2,6 м /20, 24/. При этом действительная скорость газа в колонне

Определим скорость газа и диаметр абсорбера второй ступени.

Предельную скорость газа, выше которой наступает захлебывание насадочных абсорберов, определяют по уравнению (3.17).

Значения коэффициентов А и В, требуемых в уравнении, соответственно равны 0 и 1,75 /20/.

Плотность газа для второй ступени абсорбции остается почти без изменений и соответственно ρ_у = 17,014 кг/м³.

Далее решаем уравнение (3.15)

Отсюда w_пр = 14,45 м/с

Следуя вышеописанным рекомендациям, рабочую скорость примем:

w_р = 0,5 w_пр = 0,5·14,45=7,225 м/с

Диаметр абсорбера находим по уравнению (3.18)

Выбираем /20, 21/ стандартный диаметр обечайки второй ступени абсорбера d = 2,2 м. Следовательно, скорость газа в колонне

W_д = 7,225 (2,15/2,2)² = 5,22 м/с

3.3.5 Плотность орошения и активная поверхность насадки

Плотность орошения (скорость жидкости) рассчитывают по формуле

(3.19)

где S – площадь поперечного сечения абсорбера, м²

Подставив, получим:

При недостаточной плотности орошения и неправильной организации подачи жидкости /5/ поверхность насадки может быть смочена не полностью. Но даже часть смоченной поверхности практически не участвует в процессе массопередачи ввиду наличия застойных зон жидкости (особенно в абсорберах с нерегулярной насадкой) или неравномерного распределения газа по сечению колонны.

Существует некоторая – минимальная эффективная плотность орошения V_min, выше которой всю поверхность насадки можно считать смоченной. Для надсадочных абсорберов минимальную эффективную плотность орошения V_min находят по соотношению /5/:

V_min = а q_эф (3.20)

где q_эф – эффективная линейная плотность орошения, м²/с

Для колец Рашига размером 10х10х1,5 мм q_эф = 0,022 · 10^-3 м²/с

V_min = 440 · 0,022 · 10^-3 = 96,8 · 10^-4 м³/(м²·с)

Коэффициент смачивания насадки ψ для колец Рашига при заполнении колонн в навал, можно определить из следующего эмпирического уравнения /5, 20, 24/:

(3.21)

где d_н – диаметр насадки:

m = 0,133 d_н^-0,5

G = 20 мН/м – поверхностное натяжение.

m = 0,133 · 0,006^-0,5 = 1,72

Доля активной поверхности насадки ψ_а может быть найдена по формуле /5/:

(3.22)

где р и q – коэффициенты, зависящие от типа насадки /5/.

Подставив значения, получим:

Плотность орошения абсорбера второй ступени рассчитывается по уравнению (3.19)

Минимальную эффективную плотность орошения V_min находят из уравнения (3.20)

Согласно формуле (3.21) доля активной поверхности насадки равна:

Как видно, не вся смоченная поверхность является активной. Наибольшая активная поверхность насадки достигается при таком способе подачи орошения, который обеспечивает требуемое число точек орошения на 1 м² поперечного сечения колонны /5/. Это число точек орошения и определяет выбор типа распределительного устройства /5/.

3.3.6 Расчет коэффициентов массоотдачи

Для колонн с неупорядоченной насадкой коэффициент массоотдачи β_у можно найти из уравнения /5, 19/.

(3.23)

где

- диффузионный критерий Нусельта для газовой фазы

Отсюда β_у (в м/с) равен:

(3.24)

где Ду – средний коэффициент диффузии Н₂S в газовой фазе, м²/с

- критерий Рейнольда для газовой фазы в насадке;

- диффузионный критерий Прандтля для газовой фазы;

- вязкость газа, Па · с

Коэффициент диффузии Н₂S в газовой фазе можно рассчитать по уравнению:

(3.25)

где

= 35,27 см³/моль – мольный объем Н₂S; V_г = 43,74 см³/моль – мольный объем природного газа.

Объемы рассчитаны для газов в жидком состоянии при нормальной температуре кипения (средняя плотность природного газа в жидком состоянии при нормальной температуре ρ_ср = 0,465 кг/м³, средняя

при тех же условиях составляет 0,964 кг/м³).

= 34 г/моль – молярная масса Н₂S.

Мг = 20,34 г/моль – молярная масса природного газа.

Представив, получим:

Выразим β_у в выбранной для расчета равномерности

β_у = 0,053 (ρ_у – у_ср) = 0,053(17,014 – 0,4695) = 0,877 кг/(м²·с)

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе β_х находят из обобщенного уравнения, пригодного как для регулярных (в том числе и хордовых), так и для неупорядоченных насадок /5, 20/.

(3.26)

где

- диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы.

Отсюда β_х (в м/с) равен:

(3.27)

где Д_х – средний коэффициент диффузии Н₂S в метаноле, м²/с