|
Процессы и аппараты нефтегазо- переработки. процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии куиии д., Левеншпиль о
Ар = Дрс -|- Арж -(- Ард (XIV,93)
Сопротивление сухой тарелки определяют по уравнению
(XIV,94)
Коэффициент сопротивления сухой тарелки £ получают при продувке модели тарелки. В первом приближении величину коэффициента £ можно рассчитать по уравнениям гидравлики как сумму коэффициентов местных сопротивлений, учитывающих изменение направления движения потока пара, а также живыхсечений при прохождении через каналы тарелки. Ниже приведены средние величины коэффициента \ для некоторых типов тарелок: V2gJr- 65
/г 75
626.•‘-ЬНД* 184
222
Г,, 227
-(АЛ 247
S 340
V 354
с перегородками 2,35—2,90
* То — свободное сечение тарелки, м2/м2.
Сопротивление слоя жидкости на тарелке Лрж определяют по формуле
Држ —Кгржё^ж (XIV,95)
Коэффициент аэрации Кг находят в зависимости от типа тарелки и свойств парожидкостной системы. Составляющую сопротивления Др„ определяют по уравнению
Лра = о/О-идр (XIV, 96)
где гглДр — гидравлический радиус отверстий, через которые пар выходит в жидкость (см. гл. II).
Обычно величина Ара значительно меньше других составляющих общего сопротивления тарелки.
Тарелки провального типа.
Для тарелок провального типа их основные размеры — диаметр тарелки (колонны) £>к, расстояние между тарелками Ят, свободное сечение — взаимосвязаны
Рис. XIV-32. Схема для гидравлического расчета тарелок провального типа.
1 +
%оШж° фЧРж/Рп
У
рп
Рж
0,25
+
4-(-3- V
Рп
Рж
0,5'
(XIV,97)
весьма жестко. Схема для расчета этого типа тарелок дана на рис. XIV-32. Скорость пара в колонне с провальными тарелками можно рассчитать по уравнению
(XIV,102)
где рж — вязкость жидкости, мПа-с; <р0 — свободное сечение тарелки, м2/м2; В — коэффициент, имеющий следующие значения при минимальной и рабочей скорости пара:
V2gJr- 65
/г 75
626.•‘-ЬНД* 184
222
Г,, 227
-(АЛ 247
S 340
V 354
Г лава XV
Абсорбция и десорбция
СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССОВ АБСОРБЦИИ И ДЕСОРБЦИИ
Абсорбция — процесс избирательного поглощения компонентов газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Процесс выделения из абсорбента поглощенных компонентов газа называется десорбцией.
В отличие от ректификации процесс абсорбции происходит в основном однонаправленно, т. е. из газа извлекаются соответствующие компоненты, а из абсорбента в газовую фазу они практически не переходят. Аналогичное замечание относится и к десорбции.
В нефте- и газоперерабатывающей промышленности процесс абсорбции применяют для разделения, осушки и очистки углеводородных газов. Из природных и попутных газов извлекают этан, пропан, бутан и компоненты бензина, сероводород (хемосорбция 11), разделяют газы пиролиза и каталитического крекинга и т. п.
Схематически процесс абсорбции (десорбции) представлен на рис. XV-1.
Для осуществления процесса абсорбции необходимо, чтобы парциальное давление извлекаемого компонента в газовой фазе рг было больше, чем в абсорбенте рж. Разность этих давлений Ар =: рг — рж определяет движущую силу процесса абсорбции. При АР > 0 происходит процесс абсорбции, при АР <0 — процесс десорбции. Процесс абсорбции (десорбции) прекращается, когда система достигает состояния равновесия, т. е. рг —
Рг Рж-
Поскольку парциальное давление компонента пропорционально его концентрации, движущую силу при абсорбции (десорбции) можно измерять также разностью концентраций в газовой "и жидкой фазах: А у' = у' — у’* или Ах' = х'* —х' (см. гл. XII).
| G
| GGn+л
|
| Ос
| GiGn+i
| Gi
| х\ =
| L
| LL0
| U
| Li
| Li L
| Li
|
Основное уравнение массопередачи при абсорбции имеет вид М ---= Крр (рг —рг) ----- KyF (у' — у*) =-KxF (X * xj) (XV,1)
Обычно абсорбент подбирают таким образом, что его можно считать практически нелетучим в условиях процесса абсорбции.
Жидкость (абсорбент)
Рис. XV-1. Схема обмена компонентами между газом и абсорбентом.
Gtt+i v
Gt 1
LiYi L„
К fit Gn+1 Л1
Уравнение равновесия относительно приведенных концентраций запишется следующим образом:
или
Входящий в это выражение комплекс величин
LilKfii = Ai (XV,4)
называется фактором абсорбции, а
L0/Q„i = l (XV,4а)
удельным расходом абсорбента.
Таким^образом уравнение равновесия примет следующий вид:
А,У [ = IX i (XV,5)
Материальный баланс абсорбера в приведенных концентрациях запишется так:
G,m (Yll+i - Y,) =--= Ц (Хп - X0) (XV,6)
или
(XV,7)
(XV,8)
Y,l+1 - Kj = l (Хп - Хй) Откуда удельный расход абсорбента
, Yn+1 - К,
“ Х„--Хо
При идеальной подготовке абсорбента Х0 0.
Если вместо Х0 и Хп в уравнение (XV,7) подставить их выражения через концентрации газовой равновесной фазы Y0 и Yп, то получим
ун К/,+1 + A°Y° (XV,9)
Для произвольной i-й тарелки абсорбера (рис. XV-3) материальный баланс запишется следующим образом:
(YUl-Yt)
или
l(X,X,_t)=Yl+1-Yi
Откуда
AiYl-A,.lYi.1=YM-Yl
Y (•+! + A^Yt-x
Yi
1 + At
(XV,10)
Вместо Xt и Xt_x подставим их выражения из уравнения равновесия, т. е.
Это уравнение связывает составы газа на двух смежных тарелках абсорбера. Чтобы выяснить влияние основных факторов на про-
к, =
И,
■АлУа
1 + А1
(XV, II)
цесс абсорбции, рассмотрим работу однотарельчатого абсорбера (г = 1). Тогда из уравнения (XV, 10) следует, что
Из рассмотрения этого выражения вытекает, что содержание извлекаемого компонента в потоке газа на выходе из абсорбера
Yt
К] тем меньше, чем ниже концентрация этого компонента в абсорбенте на входе Х0 и чем больше фактор абсорбции А. ГЬследнии же тем больше, как это следует из выражения (XV,4), чем больше расход абсорбента L и меньше константа равновесия К■ Таким образом, понижение температуры процесса благоприятствует абсорбции (меньше /().
Материальный баланс для нижней части абсорбера (рис. XV-3) запишется в следующем виде- .
On+Xi + L0Xn -Gn+iYn+i LaXi 4
Рис. XV-3. Схема потоков для нижней части абсорбера.
Ц X
i-i+ = + + в (XV’12)
Уравнение (XV, 12) связывает концентрации газа и жидкости в любом произвольном сечении аппарата и называется уравнением рабочей линии. Тангенс угла ее наклона к оси абсцисс равен удельному расходу абсорбента I. Если г = 1, то получим уравнение (XV,7) — общего материального баланса абсорбера.
В системе координат X—Y уравнение (XV, 12) представляет собой прямую АВ (рис. XV-4). С увеличением расхода абсорбента угол наклона рабочей линии увеличивается (прямая АВХ).
РАСЧЕТ ЧИСЛА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ТАРЕЛОК В АБСОРБЕРЕ
Процесс абсорбции может происходить в том случае, если рабочая концентрация компонента в газе выше равновесной. Следовательно, рабочая линия должна располагаться выше равновесной (рис. XV-4).
Число теоретических тарелок в абсорбере определяется графическим построением ступенчатой линии между рабочей и равновесной линиями.
Увеличение расхода абсорбента изменяет положение рабочей линии, приводя к уменьшению числа тарелок. Уменьшение удельного расхода абсорбента приводит к повороту рабочей линии вокруг точки А. В результате при некотором минимальном расходе абсорбента рабочая линия займет положение ADB2, касаясь линии равновесия в точке D. В этом случае заданное извлечение может быть получено только при бесконечно большом числе тарелок
Входящий в абсорбер газ Gn+1 и уходящий насыщенный абсорбент Ln встречаются в нижнем сечении, т. е. их составы должны удовлетворять уравнению рабочей линии (точка В). В результате взаимодействия потоков газа и жидкости на нижней тарелке абсорбера образуются равновесные потоки газа и жидкости, составы которых определяются точкой 1 на равновесной кривой. Проведя горизонталь до пересечения в точке 2 с рабочей линией, получим состав жидкости, стекающей с вышерасположенной тарелки. Продолжив аналогичные построения, наконец достигнем точки А, находящейся на рабочей линии, координаты которой определяются составами уходящего из абсорбера газа У, и свежего абсорбента Х0. В данном случае число теоретических тарелок равно пяти.
(п —► оо).
С повышением температуры наклон кривой равновесия фаз становится более крутым, и она приближается к рабочей линии, что вызывает увеличение числа тарелок. Повышение давления вызывает уменьшение числа тарелок.
В случае абсорбции компонентов газа из многокомпонентной смеси необходимо определить извлечение каждого компонента. Для этой цели пользуются уравнением Кремсера, в котором используется усредненный абсорбционный фактор А — LIGK In Yn+i-Yi Ап+'-А Ф “К„+1-К0 Лп+1 — 1
(XV.13)
где ср — коэффициент извлечения при абсорбции любого компонента.
Рис. XV-4. Расчет числа теоретических тарелок в абсорбере
(ОС — равновесная линия; АВ — рабочая линия).
Ниже приведен вывод уравнения Кремсера.
Уравнение (ХУДО) при использовании усредненного абсорбционного фактора А запишется в виде
Yi (1 + А) = К,-+1 -(- AY
или
Y t+i Yi = A {Yi
Будем варьировать I — номер тарелки от 1 до п. Получим следующую последовательность равенств:
Ул-Ух = А(ух-Ул)
Yt-Yt = A(Y%-Y1)
У4-У3=Л(У3-У2)
Уп-Уп-х = А(Уа.х-Уа.г)
Уп+1 Уп = А (Уп У/г-i)
Поскольку слева и справа со сдвигом на одно равенство стоят одинаковые разности концентраций в газовой фазе, то после соответствующих подстановок получим следующее выражение:
Уп+1-Уп = Ап(У1-У0) (XV, 14)
р”г[ н
Концентрацию Yn пара, покидающего п-ю тарелку, можно исключить, использовав уравнение (XV,9)
v _ У п+1 — У1 Ь AY 0
Подставив это выражение для У„ в уравнение (XV, 14), получим следующее соотношение:
(А - 1) Уп+1 = (Лп+| - 1) У, -(Л"+1 - А) У0
Чтобы получить уравнение (XV,13), прибавим и отнимем в левой части последнего выражения An+lYn+l
An+'Y«+l Yn+1 - АП+'Уп+1 + AYn+i - (А"+' - 1) У г - И n+1 - Л) У о
ИЛИ
(л'н1 -1) Упп — (лп+1 — л) Уя+1 (ЛчИ - 1) У4 _ (Л""1 - Л) У0
Откуда
(Л"+| - Л) (Уп+1 - Уо) - (Ля+| - 1) (У„+1 - Уг)
Из последнего выражения получается уравнение (XV, 13).
При заданной степени извлечения ф и абсорбционном факторе А определяют число теоретических тарелок в абсорбере п. Для упрощения расчетов по уравнению Кремсера пользуются также графиком, приведенным на рис. XV-5.
Необходимо заметить, что коэффициент извлечения ф не следует смешивать с теоретическим коэффициентом извлечения ф0
(XV, 15)
фо У п + 1 Yr Уn+1
Из сопоставления уравнений (XV, 13) и (XV, 15) имеем, что
фо - ф (1 — Yo/Ynti) ==ф(1 —KXo/Yn+1) (XV, 16)
Из этого уравнения следует, что ф0 <ф, и только в случае, когда Х0 = 0, имеем ф0 = ф. Таким образом, для повышения коэффициента извлечения компонента из газовой смеси необходимо обеспечивать лучшую подготовку абсорбента, чтобы Хй -> 0.
Для расчета усредненного абсорбционного фактора используют уравнение
A -=VrAn(A1+ 1)40,25 -0,5 « КЛА (XV, 17)
Обычно задаются коэффициентом извлечения этана или пропана и затем рассчитывают остальные параметры процесса и извлечение других компонентов углеводородной смеси.
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС АБСОРБЕРА
Поглощение компонентов газа при абсорбции сопровождается выделением тепла, количество которого пропорционально массе и теплоте растворения qA поглощенных компонентов. Поскольку теплоемкость газа мала по сравнению с теплоемкостью абсорбента, можно пренебречь изменением температуры газа. Тогда, пренебрегая потерями тепла в окружающую среду, тепловой баланс абсорбера запишем в следующем виде:
Qa = Lo £ (Хп — Х„) qA (XV, 18)
В первом приближении теплоту абсорбции qA можно принять равной теплоте конденсации. Выделяющееся в процессе абсорбции тепло QA в основном идет на повышение температуры абсорбента, что вызывает ухудшение процесса абсорбции. В отсутствие отвода выделяющегося при абсорбции тепла температура па выходе из абсорбера будет равна
Уп-^o + QaI^ <xv’19)
где с — средняя теплоемкость абсорбента в пределах температур /0—б — средний расход абсорбента в абсорбере.
Средняя температура абсорбции
/ср = (to -I- t'n))2 (XV,20)
Когда поглощается значительная масса газа, тепло абсорбции окажется большим и вызовет недопустимо высокое повышение температуры абсорбента. В этом случае следует предусмотреть в одном или двух сечениях промежуточный отвод тепла Q. Тогда температура на выходе из абсорбера не будет превышать предела,приводящего к ухудшению извлечения компонентов газовой смеси. Температура абсорбента на выходе будет равна
tn = ta + (QAQ)ILc (XV,21)
Рис. XV-7. Схема потоков для верхней части десор- бера.
5. РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ДЕСОРБЦИИ
Рис. XV-fl. Схема абсорбера и распределение температур с промежуточным охлаждением абсорбента.
На рис. XV-6 приведена схема абсорбера с промежуточным охлаждением абсорбента. Применение промежуточного охлаждения создает более равномерное распределение температур по высоте абсорбера.
При десорбции поглощенные компоненты газовой смеси должны быть вновь переведены в газообразное состояние. Для этого обычно снижают парциальное давление углеводородов при вводе водяного пара либо повышают температуру насыщенного абсорбента и подводят тепло в нижнюю часть десорбера (см. рис. XV-2). В последнем случае десорбер можно рассматривать как отгонную часть ректификационной колонны.
Чтобы компонент мог перейти из жидкости в газовую фазу, его парциальное давление в жидкости должно быть выше равновесного. Соответственно и концентрация компонента в жидкой фазе будет больше равновесной. Следовательно, рабочая линия должна быть ниже равновесной на диаграмме X—Y.
Для построения уравнения рабочей линии рассмотрим материальный баланс верхней части десорбера выше тарелки с номером i (рис. XV-7). Получим
Go О'т Vi-i) ^-m+i (Хт+1 Х[)
ИЛИ
g(Ym-Yi.1)-Хт+1-Х, (XV,22)
Yt-1 = Y + (Vm - x*+1) (XV,23)
Откуда
где g = Ga/Lm+1 — удельный расход десорбирующего (отпаривающего) агента.
Уравнение (XV, 23) является уравнением рабочей линии. Оно связывает неравновесные концентрации газа и жидкости в произвольном сечении десорбера. Тангенс угла наклона рабочей линии равен l/g. С увеличением расхода десорбирующего агента рабочая линия удаляется от равновесной (рис. XV-8). Нетрудно установить, что g — VI.
Если в уравнении (XV,22) положить i — 1, то получим уравнение материального баланса для десорбера
(XV,24) (XV,25)
g(Ym-Y0) =Xm+1 -Х1
или
Xm+i — Xi
8 Ут- у О
В случае использования водяного, пара в качестве десорбирующего агента У0 = 0.
Для расчета числа тарелок в десорбере строят ступенчатую линию между рабочей и равновесной линиями (см. рис. XV-8). Точка В, находящаяся на рабочей линии А В, определяет состав газа Ym на выходе из десорбера. Этот состав газа определяет в свою очередь концентрацию жидкости Хт, стекающей с верхней тарелки десорбера (абсцисса точки /). Ордината точки 2, лежащей на рабочей линии, дает состав газа, поднимающегося с нижележащей тарелки. Продолжив аналогичные построения, придем к точке А, координаты которой определяют составы десорбирующего агента Y0 и абсорбента, уходящего из десорбера. В данном слу-
Рис. XV-8. Расчет числа теоретических тарелок в десорбере
(ОС — равновесная линия; АВ — рабочая линия).
чае получили пять теоретических тарелок (т = 5). Для обеспечения лучшей работы абсорбера Хг должно быть по возможности меньше (в пределе Vx—>-0). На практике предельное значение Хг определяется условиями равновесия на нижней тарелке десорбера.
Увеличение удельного расхода десорбирующего агента g вызывает перемещение рабочей линии в положение, например, АВи что приводит к уменьшению числа тарелок в десорбере. При снижении удельного расхода десорбирующего агента рабочая линия перемещается ближе к линии равновесия. Это приводит к возрастанию числа тарелок. При некотором минимальном расходе десорбирующего агента рабочая линия займет предельное положение касательной к линии равновесия ADB2 и потребуется бесконечно большое число тарелок для достижения требуемых показателей десорбции.
При понижении давления или повышении температуры наклон кривой равновесия становится более крутым, она удаляется от рабочей линии, и число тарелок уменьшается. Если десорбция осуществляется за счет подвода тепла QB в низ десорбера, то стекающая с первой тарелки жидкость будет направляться в кипятильник (см. гл. XIV) для образования потока паров С0 и У0 = = КоХ0, где Хц — состав абсорбента на выходе из десорбера. Очевидно, что в этом случае Y0 + 0, как это имело место при вводе водяного пара.
В случае десорбции нескольких компонентов расчет проводится по наиболее высококипящему из десорбируемых компонентов. Для расчета многокомпонентной десорбции используют уравнение Крейсера, аналогичное уравнению (XV, 13) для абсорбции-.
(XV,26)
V V pfll+1 с
Ф лт+1 — Л1
Xm+1-X„ 5m+l—1 где ip' — коэффициент извлечения при десорбции; Х0 — состав газа, равновесный с поступающим в аппарат десорбирующим (отпаривающим) агентом; S = 1 /Л = = KG/L — фактор десорбции (отпаривания).
Уравнение (XV, 26) по своей структуре аналогично уравнению (XV, 13), и поэтому для расчета десорбции может быть использован график, приведенный на рис. XV-5. Усредненный фактор десорбции 5 можно определить по следующему уравнению;
S VSm (Sj + 1) -I- 0,25 - 0,5 VSmS,. (XV,27)
Фо
Хт+1 — Xj
(XV, 28)
При Х0 = 0 получаем выражение для теоретического коэффициента извлечения при десорбции
Следовательно
(XV,29)
Фо = Ф'(1 -*o/*m+i)
Отсюда видно, что cp(, < <р' и только при Х0 = 0 получаем фо = = ф'. Поэтому для повышения степени отпарки десорбируемых компонентов необходимо использовать отпаривающий агент без примеси извлекаемых компонентов (У0 «=> 0).
При расчете десорбции обычно задаются коэффициентом извлечения ф' какого-нибудь компонента, например н-пентана, выбирают число теоретических тарелок т и по графику на рис. XV-5 или по уравнению (XV, 26) определяют фактор десорбции для
данного компонента. После этого определяют удельный расход отпаривающего агента g = GJLm+1 — S/K6 и, вычислив константы равновесия остальных компонентов, находят их факторы десорбции. Затем по графику рис. XV-5 при принятом числе теоретических тарелок т находят степень извлечения ср' всех десорбируемых компонентов. На основании полученных данных составляют материальный покомпонентный баланс десорбера.
Удельный расход водяного пара определяют по уравнению (XIII, 65).
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДЕСОРБЕРА
G.i"/
t
. --- 0J
„ 11 -I- О tu
tit т I
-1 J 1Ж Л Lolt
Для осуществления процесса десорбции подводят тепло в низ аппарата одним из способов, рассмотренных в главе XIV. Чаще всего используют подвод тепла горячей струей. Кроме этого, тепло в десорбер поступает с потоками насыщенного абсорбента, температуру которого повышают до необходимой величины в теплообменнике 2 и подогревателе 6 (рис. XV-2), и с водяным паром. Это тепло без учета теплопотерь в окружающую среду, которые для крупных промышленных установок относительно невелики, отводится потоками отпаренного абсорбента н десорбированным газом. Тепловой баланс десорбера
Откуда количество подводимого через кипятильник тепла равно
(XV, 30)
«.-М'? г
В десорбер насыщенный абсорбент может быть введен в двухфазном состоянии. В этом случае необходимо рассчитать процесс ОН (см. гл. XIII).
В конструктивном отношении абсорберы и десорберы выполняют аналогично ректификационным колоннам. Отдельные конструктивные отличия (сепараторы абсорбента, узлы вывода абсорбента из промежуточных сечений и т. п.) связаны с особенностями перерабатываемых газовых потоков и необходимой степенью извлечения соответствующих компонентов. Производительность аппаратов определяют по уравнениям, приведенным в главе XIV, в зависимости от типа применяемых контактных устройств.
0> |
|
|