Материал: Автоматизація процесу абсорбції природного газу

Величина  буде тим більшою, чим крутіший нахил робочих ліній і, відповідно, чим більшою є питома витрата абсорбенту. Якщо робоча лінія ВА збігається з вертикаллю, то рушійна сила процесу має максимальну величину, проте питома витрата абсорбенту l буде нескінченно великою (тому що X_к= X_n). Якщо робоча лінія ВА₃ торкається лінії рівноваги, то питома витрата абсорбенту l буде мінімальною, а рушійна сила в дотичній точці дорівнюватиме нулеві, оскільки в цій точці робоча концентрація дорівнює рівноважній. У першому випадку висота абсорбційного апарата буде мінімальною за нескінченно великої витрати абсорбенту; в другому - витрата абсорбенту буде мінімальною за нескінченно великої висоти апарата. Отже, два випадки є теоретичними та практично нездійсненими.

У реальному абсорбційному апараті рівновага між фазами не досягається, і завжди , де  - концентрація поглинутого газу в рідині, яка знаходиться в рівновазі з газом, що надходить. Саме тому величина l завжди повинна бути більшою за мінімальне значення l_min, що відповідає граничному положенню робочої лінії (лінія ВА₃ на рис. 2). Значення l_min можна визначити згідно з рівнянням (16), змінюючи X_к на :

.

Варто зазначити, що збільшення питомої витрати l абсорбенту одночасно із зниженням висоти апарата призводить до збільшення його діаметра. Це пояснюється тим, що із збільшенням l зростає також витрата поглинача L, і при цьому знижуються припустимі швидкості в апараті, за якими знаходять його діаметр. Тому, коли питома витрата абсорбенту не задана технологічними умовами, необхідно вибирати таке співвідношення між розмірами апарата та питомою витратою l абсорбенту, за якого величина l і розміри апарата будуть оптимальними.

Оптимальну питому витрату поглинача l_опт можна знайти тільки за техніко-економічними розрахунками. Швидкість фізичної абсорбції

Швидкість процесу абсорбції характеризується основним рівнянням масоперенесення; якщо рушійну силу виражати в концентраціях газової фази:

,

якщо в концентраціях рідкої фази, то рівняння має вигляд

.

У таких рівняннях коефіцієнти масоперенесення K_x, K_y визначаються за рівняннями :

,

,

де  - коефіцієнт масовіддачі від потоку газу до поверхні контакту фаз;  - коефіцієнт масовіддачі від поверхні контакту фаз до рідини.

Для добре розчинних газів величина m і дифузійний опір рідкої фази є незначними. Тоді  і можна прийняти, що

Для погано розчинних газів можна знехтувати дифузійним опором газової фази. Тоді значення  та  є великими. Звідки  та можна прийняти, що .

У рівнянні (19) мольні концентрації газової фази можна замінити парціальними тисками газу, вираженими в частках загального тиску. Тоді

,

де Dp_сeр - середня рушійна сила процесу, виражена в одиницях тиску; K_p - коефіцієнт масоперенесення, віднесений до одиниці рушійної сили, що виражається через парціальні тиски газу, що поглинається.

Якщо лінія рівноваги є прямою, то середня рушійна сила процесу виражається рівнянням

,

де Dр_б = р_{п -} р^*_к і Dр_м = р_{к -} р^*_п - рушійна сила на кінцях абсорбційного апарата; р_п і р_к - парціальні тиски газу на вході в апарат і виході з нього; р^*_к і р^*_п - рівноважні парціальні тиски газу на вході в апарат і виході з нього.

Якщо парціальний тиск виражено у частках загального тиску Р, то коефіцієнти масоперенесення K_p i K_y чисельно однакові.

Якщо ж парціальні тиски виражені в одиницях тиску, то

.

Тепловий баланс та температура абсорбції

У випадку неізотермічної абсорбції при розчиненні газу в рідині температура її збільшується внаслідок виділення теплоти. Для технічних розрахунків нехтують нагріванням газу і рахують, що вся теплота йде на нагрів рідини.

При ізотермічній абсорбції і температурі і t_п поступаючого в абсорбер поглинача лінія рівноваги зображається кривою ОД (рис.1.4). Якщо ж температура абсорбенту в процесі абсорбції змінюється, то лінія рівноваги буде розміщуватись вище, і дійсна лінія рівноваги при змінній температурі зображується кривою АС.

Рис.1.4 Криві рівноваги при ізотермічній (ОАД) і неізотермічній (ОАС) абсорбції.

Якщо відома температура t при даному складу, то можна знайти ординату у* деякої точки О' на кривій рівноваги, що відповідає складу X (див. рис.1.4).

Для цього потрібно скласти рівняння теплового балансу для частини абсорбера, розміщеної вище деякого довільного перерізу з дійсним значенням концентрації рідини і газу X і У відповідно:

_аб =q_дL(X - X_n) = Lc(t-t_n)

або q_д(X-X_n) = c(t-t_n),

де q_д - диференційна теплота розчинення газу, кДж/кмоль; L - витрата абсорбенту, моль/с; с - теплоємкість рідини, кДж/ (кмоль·К); t - температура рідини в даному перерізі, К; t_n - початкова температура рідини, К.

Тоді

За допомогою рівняння (8.4.2), задаючись рядом довільних значень X в інтервалі між заданими концентраціями Х_п і Х_к, визначають температури t і потім за довідниковими даними знаходять відповідні значення у* і будують лінію рівноваги (по точкам О₁, О₂ і т.д.).

.4 Визначення і аналіз факторів, що впливають на технологічний процес

Метою процесу абсорбції є видалення шкідливих газів з суміші природного газу, отже, мінімальна їх концентрація у газовій суміші на виході із абсорбера. Основні фактори, які впливають на даний технологічний процес: витрата природного газу, яка поступає в абсорбер, що призводить до зміни концентрації сірководню на виході після абсорбції, а також зміну тиску на виході з абсорбера;

–       температура газу - при відхиленні від номінального значення викличе зміну температури абсорбції, що є не допустимим, оскільки при підвищенні температури змінюється якість процесу поглинання газу рідиною;

–       концентрація сірководню у газовому потоці - при значному відхиленні цього параметру, технологічний процес може зупинитись, оскільки абсорбер не зможе поглинути таку кількість сірководню;

–       концентрація сірководню в газовому потоці після процесу адсорбції - при значному відхиленні цього параметру, технологічний процес може зупинитись, оскільки не задовольняються вимоги до процесу;

–       витрата тепло і холодоагенту - при їх зміні відбуватиметься недостатня охолодження абсорбенту, що змінить його абсорбуючі властивості. температура абсорбенту під час процесу абсорбції - повинна знаходитися в певних межах, оскільки її значення суттєво впливає на тиск і температуру абсорбції;

–       теплоємність газу і адсорбенту - при їх зміні порушиться тепловий баланс технологічного процесу.

.5 Обґрунтування номінальних значень параметрів технологічного процесу та допустимих відхилень від цих значень

Головне завдання процесу абсорбції - це очистка газу до заданого показника концентрації з максимально можливим виходом продукту. Збільшуючи вимоги до кількості очищеного продукту потрібно збільшувати об’ємні параметри абсорбційної установки, що не завжди є економічно вигідно. Ліпше кількісно нарощувати потужність абсорбції природного газу.

Номінальні значення були розраховані та підібрані для даної абсорбційної установки такі:

         температура неочищеного газу та абсорбенту на вході в колону 20^оС, що сприяє якнайкращому проходженню процесу поглинання сірководню;

         витрата газу на вході при продуктивності 10*10⁵ нм³ очищеного газу має становити 11,6 м³/с;

         газ у абсорбер подається під тиском 2.5 МПа, який є найефективнішим для високої якості очистки газу;

         висота насадки (кільця Рашига) становить 15м;

         перепад тиску в колоні 200-300 кПа;

         абсорбент подається через форсунки під тиском 3 МПа;

         концентрація моноетаноламіну становить 15%;

         максимальна об’ємна витрата абсорбенту становить 21600 л/год;

         рівень насиченого абсорбенту у колоні підтримується 0,3 м;

         діаметр трубопроводу подачі газу у колону становить 175 мм;

         діаметр трубопроводу подачі абсорбенту у колону становить 75 мм. Найбільший вплив на рівновагу системи становлять: температури газу та абсорбенту; витрата неочищеного газу на вході в колону та витрата очищеного газу на виході з неї, що забезпечує потрібний тиск у колоні і якість очистки газу.

.6 Технологічна карта

.7 Складання структурної схеми взаємозв’язку між технологічними параметрам об’єкта

Рис. 1.5 Структурна схема взаємозв’язку між технологічними параметрами об’єкта

_H2S - концентрація H₂S у очищеному газі;_a - температура абсорбенту на вході в колону;_г - температура газу на вході в колону;

ΔР - перепад тиску у абсорбері;-витрата абсорбенту;- витрата води, що охолоджує абсорбент;г - витрата води, що охолоджує газ;вих - витрата газу на виході з абсорбера;вх - витрата газу на вході у абсорбер;

С^о_H2S - концентрація H₂S у газі на вході;г - температура води, що охолоджує газ;- води, що охолоджує абсорбент;- концентрація абсорбенту;- густина газу на вході;- коефіцієнт опору насадок;- висота насадок у колоні.

. Розроблення системи автоматичного керування технологічним процесом

технологічний автоматичний керування абсорбер

2.1 Аналіз структурної схеми взаємозв’язку між технологічними параметрами об’єкта

Основними параметрами які необхідно регулювати є концентрація H₂S у очищеному газі та температури газу і абсорбера. У системі також застабілізовуються значення вхідної витрати газу, рівня абсорбенту та перепаду тисків у колоні. Вхідними параметрами є витрата абсорбенту на вході у колону та витрати води, що надходить у теплообмінники. А також є збурюючі величини, які впливають на хід нашого технологічного процесу такі як: концентрація H₂S на вході, температура охолоджуючої води, концентрація абсорбенту, коефіцієнт опору насадок у колоні.

.2 Аналіз статичних та динамічних характеристик об’єкта по окремих каналах зв’язку

Збільшення витрати газу призводить до збільшення концентрації виловлюваного газу у колоні, що призводить до збільшення витрати подачі абсорбенту у колону. Але ця дія не може безмежно збільшуватись, бо абсорбер має свою певну пропускну здатність і при перевищенні витрати абсорберу може «захлебнутись». Тож витрату газової суміші на вході ми стабілізуємо на значенні найліпшому для параметрів абсорбційної колони.

Також важливими є температури газу і абсорбенту, тому що в процесі абсорбції збільшується температура, а це погіршує якість поглинання газу рідиною. Тому при збільшенні температури газу у абсорбер доведеться подавати більше абсорбенту. До такого ж результату призведе збільшення концентрації домішок у газі, і їх значення може бути обмежене максимальною пропускною здатністю абсорбера колоною. Тож найшвидшим і найякіснішим будемо вважати процес. У якому витрата газу, температура і концентрація сірководню будуть змінюватись у дуже малих межах, близьких до розрахованих значень.

.3 Обґрунтування і вибір координат вимірювання, контролю, сигналізації, дистанційного керування, захисту, блокування та регулювання

Контури в яких проводяться вимірювання:

         температура газу на виході з теплообмінника;

         температура абсорбенту на виході з теплообмінника;

         витрата газу на вході в абсорбер;

         витрата газу на виході з абсорбера;

         перепад тисків у колоні;

         рівень насиченого абсорбенту;

         концентрація H₂S після процесу абсорбції.

Контури в яких проводиться регулювання:

         температура газу на виході з теплообмінника;