книги / Переработка нефтяных и природных газов

3. По графику на рис. III .1 (см. с. 114) определяют влагосодержание осушаемого газа w1 и осушенного газа wt .

4. Рассчитывают расход регенерированного абсорбента, кг/ч, из выражения

где V — объем осушаемого газа, м3/ч; wx и w2— влагосодержание соответственно осушаемого и осушенного газа, кг/м3.

5. Концентрацию насыщенного гликоля определяют из урав­ нения материального баланса по влаге в жидкой и газовой фазе

(IV.5)

2 Li + {щ—щ) V

где а х и сг2 — массовая доля чистого осушителя в регенерированном и насыщен­ ном абсорбенте соответственно.

7. Рассчитывают константу равновесия К по уравнению (IV.3). 8. Определяют фактор абсорбции А по уравнению (IV.2).

9. Фактический коэффициент извлечения влаги рассчитывают по уравнению

Уп+1-К*о

где х'0— мольная концентрация воды в регенерированном абсорбенте (гликоле)

I — а

у'п+1 — число молей влаги в осушаемом газе

где w — влагосодержание осушаемого газа в кг/м3.

11.Используя график Крейсера, по известным величинам <рг

иА определяют число теоретических тарелок (пт).

12.Рабочее число тарелок

где ■»! — к. п. д. тарелки, обычно в абсорберах-осушителях находится в преде­ лах 25—40%.

271

Рис. IV .2.

Зависимость общего давления пара растворов днэтиленгликоля различной концентрации

от температуры.

Цифры на прямых — концентрация регенерированного гликоля. %.

Десорбер можно рассчитать также по уравнению Кремсера или как ректификационную колонну для разделения бинарной смеси. Вследствие большой разницы температур кипения воды и гликолей (ДЭГ и ТЭГ) для их разделения достаточно двух или трех теоретических тарелок, одной из которых является кипя­ тильник [2 ].

Для десорберов-регенераторов принимается, что в кипятиль­ нике достигается равновесие между водой и гликолем. Зависимость между составом, температурой и давлением смеси определяется из рис. IV.2 и IV.3 [2]. Задавшись концентрацией регенериро­ ванного гликоля в кипятильнике и температурой отпарки на оси абсцисс (с учетом недопущения разложения гликолей), определяют на оси ординат давление процесса. Давление пара на этих диа­ граммах соответствует общему давлению паров воды и гликоля, которое, если не подается инертный (отдувочный) газ, равно об­ щему давлению в кипятильнике. В случае подачи отдувочного газа для пользования этими диаграммами нужно из общего дав­ ления в кипятильнике вычесть парциальное давление вводимого отдувочного газа.

При определении коэффициента отпарки влаги <р принимается, что количество уносимого гликоля бесконечно мало по сравнению с общей массой. Коэффициент отпарки определяется по уравнению

«— - f f i l 'l f f ' <IV12>

272

Зависимость общего давления пара растворов трнэтиленгликолн различной концентрации от температуры.

Цифры на прямых — концентрация регенерированного гликоля» %.

По диаграмме Кремсера (см. рис. -III.47, с. 199) по найденному коэффициенту <р и числу теоретических тарелок п = 2—3 опре­ деляют фактор десорбции 5. Число молей насыщенного раствора гликоля 1 2 берут из расчета процесса осушки; поэтому, зная ве­ личину 5, можно определить объем паров V. Таким образом полу­ чены все необходимые данные о работе десорбера. Поскольку количество паров и жидкости по высоте регенератора меняется незначительно, потарельчатый расчет его, как правило, не про­ изводят.

Качество подаваемого газа, если регенерацию ведут с подачей отдувочного газа, опреде­ ляют из уравнения (в моль)

273

В настоящее время в ТЮМЕННИИгипрогазе разработана «Ме­ тодика расчета контактных ступеней абсорберов гликолевой осушки газа» [4], согласно которой можно рассчитать необходи­ мое число теоретических и практических тарелок при различных параметрах работы установки осушки, выбрать оптимальный технологический режим и размеры аппарата. При поверочном расчете определяют два любых параметра, взяв остальные по фактическим показателям работы узла осушки. Полученные результаты сравнивают с проектными и действительными и на основании этого делают вывод о работе узла и путях ее улучше­ ния. Методика расчета остается практически той же.

Адсорбционный метод осушки

Расчет процесса адсорбционной осушки газа сводится к определе­ нию требуемого для получения осушенного газа объема адсорбента, длительности защитного действия работающего слоя адсорбента (время до проскока), потери давления при движении газа через адсорбент.

Для проектного расчета процесса осушки адсорбционным спо­ собом в качестве исходных данных принимают: давление и тем­ пература осушаемого газа; объем осушаемого газа V ; точка росы осушенного газа; продолжительность цикла адсорбции т; тип адсорбента.

Для принятой продолжительности цикла адсорбер рассчиты­ вают в следующей последовательности [5] (рис. IV.5).

1.Конкретизация значений исходных данных.

2.Принимается допустимая линейная скорость газа в адсор­ бере Up, м/мин (обычно 2,0—4,0 м/с при атмосферном давлении). Линейную скорость газа при рабочих условиях можно определить

из массовой скорости, рассчиты­ ваемой по уравнению Леду [5 ]

274

Относительная Влажность гази P/PSi %

Рис. IV.6.

Зависимость равновесной динамической влагоемкости ар свежих адсорбентов от отиосительной влажности газа для температуры контакта 25 °С:

1 — силикагель; 2 — молекулярные сита; 3 — оксид алюминия.

Рис. IV.7.

Температурная поправка с_ на влагоемкость силикагеля и оксида алюминия.

ар

жании осушаемого и осушенного газов, найденные из рис. III.2 (см. с. 116).

где п — число циклов в 1 сут.

4. По исходным данным определяют внутренний диаметр адсорбера

где V — объем осушаемого газа, м8/мин; D — диаметр адсорбера, м.

Диаметр аппарата принимается ближайший больший по нор­ мали.

5. Рассчитывают линейную скорость газа в свободном сечении адсорбера при рабочих условиях vv

6. Если полученная скорость не соответствует рекомендуемым пределам, то диаметр аппарата подбирают таким образом, чтобы линейная скорость газа находилась в рекомендуемых пределах.

7. Определяют удельную нагрузку слоя по воде, кг/(ч-м2).

275

Рис. IV.8.

Зависимость коэффициента трения газа о слой адсорбента от числа Рейнольдса.

Динамическую влагоемкость слоя ал при работе слоя до про­ скока рассчитывают по уравнению

10.Определяют высоту слоя адсорбента Я из условия, что

значение соотношения HID обычно принимается от 2 до 5 [6 ]. При большем соотношении могут возникнуть большие потери давления.

И. Принимают минимально необходимую высоту слоя адсор­ бента

где рад — средняя плотность адсорбента, кг/м3.

12.Если Я меньше /сЛ, то необходимо перезадаться значе­ нием Я и повторить расчет по пп. 9—12.

13.Рассчитывают продолжительность работы слоя до про­

скока влаги, г

тельности цикла адсорбции т, то повторяют расчет по пп. 2—13, приняв величину цикла несколько меньше полученной в п. 13 величины хг.

15. Потери давления при движении газа через гранулирован­

276

Коэффициент трения определяют как функцию от числа Рей­ нольдса по рис. IV.8 [8 ]. В свою очередь число Рейнольдса для пористых сред вычисляют по формуле

Re==MpPr

(IV .23)

где |Х — абсолютная вязкость газа.

На этом расчет процесса адсорбции заканчивается. Результаты, полученные при расчете процесса адсорбции, используют также при расчете цикла регенерации. Вне зависимости от типа цикла регенерации — открытого или закрытого — основная процедура технологического расчета регенерации состоит в нахождении опти­ мальной средней тепловой нагрузки и массового расхода регене­ рационного газа, необходимого для извлечения из слоя адсор­ бента поглощенной воды.

Общее количество требуемого тепла слагается из тепла, расхо­ дуемого на нагрев адсорбента, аппарата, воды до температуры кипения, на испарение воды и поглощенных углеводородов. Поэтому расчет начинают с определения каждого из указанных видов тепла.

Порядок расчета следующий [9] (рис. IV.9).

1.Конкретизация значений исходных данных.

2.Тепло Qj, требуемое для нагрева адсорбента, определяется из выражения

где Gi — масса адсорбента, кг; Т4 — тем­ пература газа регенерации на выходе из регенерируемого слоя осушителя в конце цикла нагрева, °С. Обычно первое значе­ ние температуры регенерации принимается в пределах 0,3—0,5 Т, где Т — темпера­ тура газа регенерации на выходе из печи. Значение температуры Т для разных ад­ сорбентов дано ранее (см. с. 126); Тг — температура адсорбционного процесса, °С; сг — удельная теплоемкость регенерируе­ мого осушителя. Теплоемкость распрост­ раненных осушителей дана в табл. Ш .З на с. 129.

3. Тепло Q%, требуемое для на­ грева аппарата, определяют из аналогичного выражения

Рис. IV .9.

Блок-схема расчета процесса регенерации адсорбента-осушителя.

277

где G2 — масса аппарата и арматуры, непосредственно присоединенной к шту­

где GHs0 — масса воды, поглощенной сорбентом в процессе адсорбционного цикла; Т2— температура кипения воды; с3— удельная теплоемкость воды.

5. Тепло Q4, требуемое для испарения воды, находят из вы­ ражения

<?4 = О н .о '-Ц .О <I V -2 7 >

где гн о — теплота испарения воды.

6. Тепло Q6, требуемое для испарения поглощенных в процессе адсорбции углеводородов

Q5 =

Считается, что на испарение углеводородов расходуется при­ мерно 20% тепла, необходимого для испарения воды.

Потери тепла обычно принимают равными 5% от количества тепла, расходуемого на регенерацию.

7. В этом случае общее количество тепла, необходимое на про­

Затем определяют массовый расход газа регенерации методом последовательных приближений.

8. Обычно задаются тремя значениями температур Т4 регене­

Для трех заданных температур Т4 по энтальпийным диаграм­ мам определяют допустимые тепловые нагрузки (^доп) регенера­ ционного газа, являющиеся отношением необходимого тепла Q к массовому, расходу Gpr регенерационного газа при снижении температуры:

9. Вычисляют удельное количество тепла (<Зуд)нго> требуемого

10. Для трех заданных температур Т4 вычисляют необходимые тепловые нагрузки (<„е0бх) регенерационного газа, требуемые для нагрева и испарения воды.

278

Кроме известных исходных данных для проведения расчета используют:

парциальное давление воды в регенерационном газе, поступа­

ющем для десорбции в слой осушителя Рнго‘, парциальное давление воды в регенерационном газе, выходя­

щем из слоя осушителя с удельное массовое содержание воды в регенерационном газе,

Необходимая тепловая нагрузка регенерационного газа, тре­ буемая для нагрева и испарения поглощенной воды (в кДж/кг газ. per.)

газа в функции от Т4. Пересечение этих кривых определяет опти­ мальные среднерасчетные значения требуемой тепловой нагрузки Яоит регенерационного газа и температуры Г4>пт газа регенерации, выходящего из десорбируемого слоя осушителя. Если полученное значение Tionr не более чем на 1 % отличается от принятого, то температура считается найденной. В противном случае расчет начинают с п. 1 при значении Т’4, равном найденному значе­ нию 7 4011т.

12. Массовый расход газа регенерации определяют из соот­ ношения

где (?газ. per. — массовый расход регенерационного газа, кг/ч; тн — длительность нагрева десорбируемого слоя осушителя в течение регенерационного цикла, ч.

13. Недостатком описанного метода является необходимость сначала задаться продолжительностью нагрева десорбируемого слоя осушителя, а затем определить его методом последователь­ ного приближения.

279

Рис. IV.10.

Температурный режим адсорбера при регенерации и охлаждении адсорбента:

1 — температура газа регенерации иа входе в адсорбер; 2 — изменение температуры на выходе из адсорбера при регенерации и охлаждении адсорбента; 3 — температура газа регенерации на входе в подогреватель (температура осушаемого газа); Л —D — периоды

цикла регенерации и охлаждения.

нагрев слоя осушителя, воды и поглощенных компонентов. Про­ должительность процесса на этом участке хв . На третьем участке температура регенерационного слоя газа, выходящего из слоя осушителя, изменяется от Т3 до Т4. При достижении тем­ пературы регенерационного газа на выходе из слоя осушителя значения Т4, нагрев регенерационного газа в печи прекращается. Средняя температура на этом участке Тс. Продолжительность про­ цесса тс. На четвертом участке поглотитель охлаждается от Тл до Тъ. Средняя расчетная температура равна TD, продолжительность процесса xD.

Сумма всего количества тепла, подведенного к регенератору на участках процесса Л, В и С, равна общему количеству тепла Q, подведенному в процессе регенерации и определенному нами выше.

Поэтому можно записать

Q = Gra3. рег, (Ср)гаэ. per. [(Г — ТА) Тд -f- (Т — Тв) Тд -|~ (Т Тс) тс] (IV .35)

где (Ср)гаэ. рег. средняя удельная теплоемкость регенерационного газа.

Поскольку теплоемкости осушителя, металла аппарата, воды, углеводородов и др. известны для каждого участка температурной

280