Это уравнение связывает встречные неравновесные потоки абсорбера 

Уравнение 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 . В системе координат X-Y уравнение представляет собой прямую линию (рисунок 4) . С увеличением расхода абсорбента угол наклона рабочей линии увеличивается. 

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 кривой (рисунок 3) .

Число теоретических тарелок в абсорбере определяется графическим построением ступенчатой линии между рабочей и равновесной линиями. 




Рис. 3. Графический расчет числа теоретических тарелок в абсорбере: 

АВ — рабочая линия; ОС — кривая равновесная фаз

Входящий в абсорбер газ и уходящий насыщенный абсорбент 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, стекающий с вышерасположенной тарелки. Продолжив аналогичные построения, достигнем точки А , находящейся на рабочей линии, координаты которой определяются составами уходящего из абсорбера газа Y_к и свежего абсорбента X_н . В данном случае число теоретических тарелок равно пяти.

Увеличение расхода абсорбента изменяет положение рабочей линии, приводя к уменьшению числа тарелок (прямая АВ₁ ). 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 бесконечном числе тарелок.

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.

 

Процесс десорбции

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 (рисунок 4) . 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 буде ниже равновесной (рисунок 5) 




Рис. 18.5. Графический расчет числа теоретических тарелок в десорбере:

АВ — рабочая линия; ОС — кривая равновесия фаз


Для расчета многокомпонентной десорбции используют уравнение Кремсера.:

 ( 81) 

гдеj ^/-степень извлечения при десорбции, 

m -число теоретических тарелок,

- фактор десорбции (отпаривания) 

K- константа фазового равновесия.

Анализ этой формулы оказывает, что при ^ S = const , чем больше m , тем больше j .
При увеличении подачи пара ( G ) увеличивается А и соответственно степень извлечения.j 

Если уменьшить давление в системе, то К увеличится (  ), величина S увеличится и степень извлечения при десорбции увеличится. 

При нагревании системы К увеличится и доля извлечения тоже увеличивается.

При заданной степени извлечения при десорбции и десорбционном факторе определяют число теоретических тарелок. Эта формула верна при отпаривании малых порций газа.

^18.6 КОНСТРУКЦИИ АБСОРБЕРОВ

Абсорберы разделяют по способу контактирования взаимодействующих фаз на три группы: поверхностные, барботажные и распыиливающие,

В поверхностных абсорберах поверхностью контакта фаз является зеркало жидкости а — или поверхность стекающей пленки (пленочные абсорберы). К этой группе относятся аппараты со свободной поверхностью; насадочные с насыпной и регулярной насадкой; пленоч­ные, в которых пленка образуется при гравитационном стекании жидкости внутри верти­кальных труб или на поверхности листов; механические пленочные с пленкой, формирующейся под действием центробежных сил.

В барботажных абсорберах поверхность контакта развивается потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырей и струй. К этой группе относятся аппараты со сплошным барботажным слоем с непрерывным контактом между фазами, тарельчатого типа, с подвижной (плавающей) насадкой, с механическим перемешиванием жидкости.

В распыливающих абсорберах поверхность контакта образуется путем распыления жидкости на мелкие капли. К этой группе относятся аппараты полые форсуночные, с распылением за счет энергии жидкости, скоростные прямоточные с распылением абсорбента за счет кинетической энергии движущегося с большой скоростью газового потока, механические с распылением жидкости быстро вращающимися элементами.

Отдельные типы аппаратов в зависимости от режима работы могут быть отнесены к одной или другой группе, например, насадочные абсорберы при инверсии фаз становятся барботажными аппаратами, а тарельчатые при работе в струйном режиме являются распиливающими.

Важными характеристиками, которые необходимо учитывать при выборе конструкции абсорбера, также являются гидравлическое сопротивление, диапазон возможного изменения нагрузок по газу и жидкости, время пребывания жидкости, чувствительность и склонность к загрязнениям.

В нефтегазовых производствах наиболее распространены тарельчатые и насадочные абсорберы. Тарельчатый абсорбер (рис. VI-12, а)представляет собой вертикальный аппарат, в верхней части корпуса 1 которого установлен каплеотбойник 2, предотвращающий унос абсорбента потоком газа. Контактирование газового потока и абсорбента осуществляется на контактных тарелках 3 той или иной конструкции. Для ремонта и монтажа внутренних устройств абсорбера через 4 — 5 тарелок установлены люки-лазы 4 условным диаметром не менее 450 мм. В нижней части корпус аппарата приварен к опорной обечайке 5. Насадочный абсорбер (рис. VI-12б) в верхней части оснащен распределителем2 регенерированного абсорбента. Слой насыпной или регулярной насадки опирается на опорную решетку 4. Для загрузки и выгрузки насадки служат люки 5 и 7.




 




Рис.

а-тарельчатый: ^ 1 — корпус; 2 — каплеотбойник; 3 — тарелка; 4 — люк; 5 — опорная обечайка; б — насадочный: 1 — корпус; 2 — распределительная тарелка; 3 — насадка; 4 — опорная решетка; 5 — загрузочные люки; б — опора; 7 — люки выгрузки насадки. Потоки: / — ненасыщенный абсорбент; 11 — сухой газ; 111 — сырой газ; IV — насыщенный абсорбент

Обычно давление в абсорберах при разделении нефтяных попутных газов составляет 1,6 — 2,0 МПа, а при извлечении компонентов природного газа, имеющего большее устьевое давление, 4,0 — 7,5 МПа. Температура зависит от применяемого хладагента и может составлять при извлечении пропана минус 40 °С, этана минус 80— 100 °С. Диаметр промышленных абсорберов зависит от производительности и достигает 3 м, число тарелок составляет 30 — 40.

При промысловой очистке и осушке природного газа производительность по газу одного абсорбера достигает 10 — 35 млн. м³/сут. Для таких условий работы предназначены специальные конструкции абсорберов.

На рис VI-13 представлена конструкция многофункционального аппарата, состоящего из трех секций. Исходный газ по тангенциально расположенному штуцеру поступает в первую по ходу газа секцию сепарации. Отделение капельной жидкости в этой секции осуществляется при прохождении газа через сетчатый отбойник 1 и сепарационную тарелку 2, на которой установлены центробежные сепарирующие элементы. Вторая секция предназначена для осушки газа и включает четыре тарелки 4 с контактными элементами центробежного типа.

Каждый прямоточный центробежный элемент состоит из цилиндрического корпуса ^ 12 диаметром 60— 100 мм и оснащен в нижней части тангенциальным завихрителем 17. На небольшом расстоянии от полотна тарелки 11 центробежный элемент оснащен трубкой 15, служащей для подачи жидкости в центр элемента. При контакте с закрученным потоком газа жидкость распределяется по стенке элемента и поднимается вверх. 


^ Конструкция многофункционального аппарата для очистки и осушки природного газа:

1 — сетчатый отбойник; 2, 5 — сепарационная тарелка; 3 — внут­ренняя емкость насыщенного глико­ля; 4 — тарелка с контактными эле­ментами центробежного типа; 6 — фильтр-патроны; 7 — люк-лаз; 8, 10 — штуцер для дренажа; 9 — штуцер отвода жидкости; 11 — полотно тарелки; 12— цилиндри­ческий корпус центробежного эле­мента; 13 — отбойник; 14 — кони­ческая чашка; 15 — трубка для подачи жидкости; 16 — отверстие; 17 — тангенциальный завихритель. Потоки: / — сырой газ; II — насыщенный раствор гликоля; III — сухой газ; IV — регенерированный раствор гликоля

. Благодаря уменьшению давления внутри элементов жидкость по трубке ^ 15, имеющей отверстие 16 в нижней части, подается внутрь элемента. 

Насыщенный гликоль собирается во внутренней емкости 3, откуда он отводится на регенерацию. Последняя по ходу газа секция улавливания гликоля образована сепарационной тарелкой 5 и тарелкой, на которой установлены фильтр-патроны б. Фильтр-патроны выполнены в виде перфорированного цилиндрического каркаса с намоткой 10—15 слоев стекловолокна. Изнутри и снаружи слой фильтрующего материала закреплен двумя-тремя слоями рукавной сетки.


^ ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОЦЕССЫ АБСОРБЦИИ И ДЕСОРБЦИИ

Технико-экономические показатели разделения газов путем абсорбции зависят от выбора рабочих параметров абсорбера и десорбера. Рассмотрим некоторые общие положения, которыми необходимо руководствоваться при выборе оптимальных рабочих режимов этих аппаратов, применительно к схеме установки, представленной на рис. VI-2.

Из приведенного ранее анализа следует, что в процессе абсорбции одна и та же степень извлечения может быть достигнута при изменении таких основных параметров процесса абсорбции, как давление, температура, число тарелок и удельный расход абсорбента.

Повышение давления благоприятно сказывается на процессе абсорбции. Оно приводит к увеличению растворимости газа в абсорбенте, позволяет снизить удельный расход абсорбента и уменьшить число тарелок в абсорбере. Однако в случае необходимости предварительного сжатия газа возрастает расход потребляемой энергии, что часто лимитирует величину выбранного давления в аппарате.

Понижение температуры процесса абсорбции позволяет снизить удельный расход абсорбента и уменьшить необходимое число тарелок. В промышленных условиях температура абсорбции зависит главным образом от применяемого охлаждающего агента. В современных абсорбционных установках, обеспечивающих извлечение практически всех компонентов газа, включая этан, экономически оправдано ведение процесса при пониженных температурах с использованием специальных хладагентов: испаряющихся аммиака, пропана и др. В этом случае затраты на сооружение и эксплуатацию специальных холодильных установок быстро окупаются за счет сокращения капитальных и эксплуатационных затрат на другое оборудование.

Число тарелок в абсорбере и удельный расход абсорбента взаимосвязаны. Увеличивая расход абсорбента, можно уменьшить число тарелок и наоборот. Увеличение числа тарелок приводит к увеличению высоты аппарата, обслуживающих металлоконструкций и затрат на транспортирование абсорбента в пределах установки.


^ 19 ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА АБСОРБЦИИ

На основании вышеизложенного можно сформулировать следующие закономерности процесса абсорбции.

 

1.   
Существует оптимальное место ввода сырья в колонну

1.   
Существует минимальная величина подачи абсорбента и тепла в кипятильник

2.   
Нельзя достичь 100% чистоты продукта, 100% чистота может быть достигнута при бесконечном числе тарелок

2.   
Чистота газа улучшается при увеличении абсорбента или орошения, и колебания режима сокращают четкость абсорбции

3.   
В режиме полного орошения число тарелок наименьшее

4.   
Чем больше разность температур кипения компонентов и больше относительная летучесть ключевых компонентов в сырье, тем меньше число тарелок и меньше затраты энергии на абсорбцию

5.   
В неполных колоннах можно получить чистым только один продукт. 

6.   
Два сырья, отличающиеся между собой температурами и составами следует вводить в колонну отдельно 

7.   
Кратность орошения по тарелкам - величина переменная

8.   
Изменение температур и концентраций по тарелкам различны.