Файл: Алекперов, Г. З. Расчет абсорберов газоперерабатывающих заводов науч.-техн. обзор.pdf

Министерство газовой промышленности

Всесоюзный научно-исследовательский институт экономики,

организации производства и технико-экономической информации в газовой промышленности

ВНИИЭгазпром

Научно-технический обзор

Серия: Переработка газа и газового конденсата

РАСЧЕТ АБСОРБЕРОВ ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ЗАВОДОВ

Г.З.Алекперов, М.П.Топчиева, Г.Я.Лернер

Москва 1974

ВВЕДЕНИЕ

За последние годы в нашей стране достигнуты большие успехи в поисках и разведке газовых и газоконденсатных месторождений. Прог­ нозные запасы ценных углеводородов только в природном газе состав­ ляют: этана порядка 2,8 трлн.м3 и сжиженных газов (пропана+бутана)

-3,2 млрд.т [і].

Кконцу пятилетки объем переработки природного газа увеличит­ ся более чем в 10 раз и составит 26,4 млрд.м3, а попутного - в 2 раза (21,5 млрд.м3). Рост объема переработки газа требует создания

высокопроизводительного оборудования для разделения газовых сме­ сей. В связи с этим особое значение приобретает разработка методов расчета абсорбционной аппаратуры, которые учитывали бы как статику, так и кинетику процесса абсорбции. Рассматривая процесс с этих двух точек зрения, можно построить более точный расчет массообмен­ ных аппаратов. Наибольшее распространение получили статические ме­ тоды, основанные на понятии "теоретическая тарелка", сущность ко­ торых заключается в решении системы уравнений материального и теп­ лового баланса и уравнения фазового равновесия. В большинстве ста­ тических методов расчета используются уравнения Кремсера-Брауна [2-3], Хортона-Франклина [4] и Эдмистера [5], основанные на допу­ щении равновесия между уходящим с тарелки газом и стекающей жидко­ стью. Такая предпосылка исключает учет влияния скорости газа, вза­ имного влияния компонентов смеси, а также физических свойств вза­ имодействующих фаз.

В настоящее время известны и более точные методы [6,7]. Испо­ льзование итерационного способа расчета в этих методах делает их трудоемкими. Эти методы могут найти широкое применение в инженер - ной практике лишь с развитием вычислительной техники.

Как приближенные, так и точные методы расчета процесса абсорб­ ции дают возможность определять теоретическое пт , а не действи­ тельное число тарелок, необходимое для заданной степени абсорбции. Для определения действительного числа тарелок Пд вводят к.п.д. тарелки £

3

Поскольку поглощение компонентов углеводородных газовых сме­ сей ограничено сопротивлением жидкой фазы, исследование кинетики этого процесса целесообразно начать с элементарного акта поглоще­ ния компонентов из одиночного пузырька, проходящего через слой абсорбента. Такой подход рационален, потому что теория элементар­ ных актов барботакных процессов может быть перенесена на массообмен, протекающий при массовом барботаже [8].

Настоящая работа посвящена определению общих коэффициентов массопередачи компонентов смеси на основе проведенных в различных условиях экспериментов, расчету коэффициентов диффузии компонен - тов в газовой фазе, выводу критериальных уравнений абсорбции ком­ понентов, расчету числа действительных тарелок в абсорбционной ко­ лонне.

МЕ Т О Д И К А Э К С П Е Р И М Е Н Т А Л Ь Н О Г О

ОП Р Е Д Е Л Е Н И Я К О Э Ф Ф И Ц И Е Н Т О В

Ма с с о п е р е д а ч и

Исследования по определению коэффициентов массопередачи про­ водили на лабораторной установке (рис.І).

Газ из баллона через прозрачную мерную емкость подавали под заданным давлением, замеряемым образцовым манометром,через вен­ тиль тонкой регулировки в абоорбер. Непоглощенный газ под давле - нием абсорбции собирался в емкость из оргстекла.

Жидкость подавали противотоке»! к поднимающимся пузырькам га­ за. Для того чтобы непоглощенный после контакта пузырек не сопри­ касался со свежим абсорбентом, последний поступал через капилляр к поверхности слоя жидкости. Абсорбент постоянно и равномерно кап­ лями выдавливали инертным газом, подаваемым в емкость свежего аб­ сорбента. Насыщенный абсорбент сливали через коллектор уровня в приемник. Давление в сборной газовой емкости и приемнике поддер - живали в процессе всего опыта равным давлению абсорбции,стравли - вая избыточное давление через вентили 10 и II.

Основной аппарат установки - абсорбер сконструирован специа­ льно (рис.2).

Исходный газ в олой абсорбента поступал через капилляр опре­ деленного диаметра в нижнем фланце I абсорбера 2. Для получения пузырьков заданного диаметра капилляры монтировали во фланец на резьбе. В абсорбере трубка подачи абоорбента 3 может передвигать­ ся на изучаемую высоту слоя жидкости. Уровень абсорбента в колон-

5

Рис.I. Схема экспериментальной абсорбционной установки:

I - уравнительная емкость; 2 - мерная емкость; 3-маномѳтрн; 4,7,10,11 - вентили тонкой регу­ лировки; 5 - абсорбер; 6 - емкость свежего аб­ сорбента; 8 - коллектор уровня; 9 - приемник

абсорбента; 12 - сборная газовая ѳмкооть

ке регулировался соответствующим отводом коллектора уровня 4, че­ рез который постоянно сливался насыщенный абсорбент в приемник.

Работа состояла из.оерий опытов, в каждой из которых варьиро - вали высоту сдоя абсорбента при постоянном давлении, времени опы­ та, частоте подачи пузырьков из сопла одного и того же диаметра.

Несколько серий опытов проведено по абсорбции пузырьков различных газов: индивидуального пропана, природного газа, этан-пропан-бута- новой и пропан-бутановой фракций, подаваемых из капилляров различ­ ного диаметра dB (1,4; 2,6; 3,0; 6,0 мм) под различным давлени - ем.

Б качестве абсорбента использовали керосиновую фракцию, выки­ пающую при температуре в пределах 125-260°С и имеющую удельный вес 0,73г/см8, 'молекулярный вес 155,0, коэффициент динамической вязкости 0,01209 г/см-сек, поверхностное натяжение 24,1 дин/см. Скорость подачи абсорбента 0,2-0,4 см8/мин.

Частота образования пузырьков во всех опытах сохранялась рав­

Число пузырьков подсчитывали визуально. Зная число пузырьков,

6

объем пропущенного и непоглощенного газов, легко было рассчитать объем одного пузырька, его поверхность в момент образования и всплы­ тия на различных высотах слоя абсорбента. Время образования и всплы­ тия пузырьков, его диаметр и скорость всплытия определяли с помощью киносъемки.

О П Р Е Д Е Л Е Н И Е С К О Р О С Т И В С П Л Ы Т И Я П У З Ы Р Ь К О В У Г Л Е В О Д О Р О Д Н О Й Г А З О В О Й С М Е С И П Р И А Б С О Р Б Ц И И

П О Д Р А З Л И Ч Н Ы М Д А В Л Е Н И Е М

Точность расчетов многих процессов, связанных с барботажем га­ за в слой жидкости, и коэффициентов массопередачи во многом зависит от точности определения скорости движения газовых пузырьков в олое жидкости.

7

В литературе довольно подробно освещено влияние вязкости, по­

верхностного натяжения, удельного веса жидкости, изменения формы пузырька на его объем и скорость движения [9-16]. Этот большой экспериментальный и теоретический материал относится в основном к движению пузырьков неуглеводородных газов под атмосферным давлени­ ем без массообмена.

Определение скоростей всплытия пузырьков индивидуальных эта­ на, пропана и бутана в условиях противоточной подачи абсорбента (керосина) под атмосферным давлением и влияние на нее изменения числа пузырьков в единицу времени даны в работе [17].

Влияние давления на скорость всплытия LL пузырьков углеводо­ родных газов при абсорбции практически не изучено.

Для расчета общих коэффициентов массопередачи была определе - на скорость всплытия пузырьков пропан-бутановой фракции в кероси - не под разным давлением абсорбции. Исследование проводили на экс­ периментальной установке (см.рис.І) при противоточной подаче газа и абсорбента и температуре 25°С. Скорость пузырьков газа поддержи­ валась равной в среднем 120 пузырьков в минуту, плотность газа при одной атмосфере была равна 0,001777 г/см3 , высота слоя абсорбента

h - 57 мм, диаметр сопла d 0 - 2,6 мм.

Киносъемку производили кинокамерой КСК-І при скорости 96 кад­ ров в секунду под давлением абсорбции I; 3; 5; 7 кГ/см2 .

Под давлением абсорбции I кГ/см2 (при указанной скорости съем­ ки) за момент всплытия пузырька отснят 21 кадр. Следовательно, вре­

углеводородных газовых смесей в керосине замедляется, вероятно, за счет повышения плотности газа и массообмена с жидкостью. Этот вывод соответствует экспериментальным данным, приведенным в литературе. Так, в работе [і7] показано, что скорость всплытия пузырька бутана

статочно точно рассчитывать скорость всплытия пузырька в инертной жидкости. Например, изучались системы: воздух-вода, воздух-8%-яый раствор этанола, воздух-раствор глицерина и т.д,[і4,І5]. В этих

8