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全文MEA计算整理
附录A：
MEA溶液富集CO2工艺计算
一、设计参数
烟气量:
15000m3/h（1600C时）
回收率
90%
吸收塔操作温度38—450C
再生塔操作温度110—1200C
吸收液（MEA溶液）浓度15%—20%
吸收塔和再生塔：
均为填料塔
烟气成分：
成分
N2
CO2
O2
CO
S02
杂质
含量
84.0%
12.0%
3.6%
0.02%
39mg/m3
残余
二．吸收塔的设计
确定吸收塔操作条件为：
温度400C
压力1atm
MEA浓度15%
设计时按此条件计算
1.平衡线
缺少CO2在15%MEA溶液、400C时的溶解度数据，现近似取400C下CO2在15.3%重量的MEA溶液中的溶解度，并把分压转化为操作压力下的摩尔比Y:
P﹒mmHg
1
5
10
30
50
70
100
200
Y
0.00132
0.00662
0.0133
0.0411
0.0704
0.101
0.152
0.357
X
0.383
0.438
0.471
0.518
0.542
0.558
0.576
0.614
由上表可得所需的平衡曲线。
2．吸收剂量的确定
y1=12.0%
y2=y1（1—
）=12.0%
（1－90%）=1.20%
Y1=y1（1－y1）=0.12/（1－0.12）=0.136
Y2=y2（1－y2）=0.012/（1－0.012）=0.0121
据<<气体净化>>（第三版，中国建筑工业出版社）P23所述，MEA贫液含有0.05--0.2molCO2/molMEA，使用低压解吸塔，则来自解吸塔的MEA贫液一般由0.15molCO2/molMEA,
故可取
X2=0.15
吸收塔温度：
40×9/5＋32=1040F
查《《气体净化》》P17,15%MEA溶液的比重。
YL=0.996
《《气体净化》》P19,运动粘度：
Y=0.82cSt
MEA分子量：
M=61.1，则15%MEA溶液的粘度：
L=
·
L=0.82×0.996=0.82cP
质量浓度：
996×15%=149.4Kg/m3
摩尔浓度：
149.4/61.1=2.44mol/L
入塔烟气密度：
YG=（0.84×28+44×0.12+36×0.036）×10-3×273/（40+273）×1/（22.4×10-3）
=1.17Kg/m3
烟气摩尔流量
nG=15000/（273+160）×273×1/（22.4×10-3）=4.22×10-5mol/h
质量流量：
G=4.22×105（0.8428+44×0.12+36×0.036）×10-3=1.57104Kg/h
惰性气体流量：
GM=4.22×105（1-0.12）=3.71×105mol/h
查平衡曲线，Y1=0.136时，X1·=0.572
（GM·/LM·）max=（X1·-X2）/（Y1-Y2）
=（0.572-0.15）/（0.136-0.0121）
=3.41
LM·min=1.1×105mol/h
而LM·=（1.2～2.0）（LM·）min,取
（LM·）=1.8（LM·）min=1.8×1.1×105=1.98×104Kg/h
MEA溶液量：
L=1.98×105×61.1×10-3/15%=8.07×104Kg/h
X1=GM·/LM·（Y1-Y2）+X2
=（3.71×105）/（1.98×105）（0.136-0.0121）+0.15
=0.38
可得操作线。
3.塔径及压力降
选用填料为拉西环瓷质填料，乱堆，规格50mm
查相关手册可知填料的特性:
比表面积:
a=93m2/m3
干填料因子:
a/
3=177m-1
填料因子:
=220m-1
而:
L=8.07x104Kg/h
G=1.57x104Kg/h
G=l.17Kg/m3
L=996kg/m3
L=0.82cP
得:
（L/G）1/4（
G/
L）1/8=0.65，查相关手册，可知:
uF2/g·（
/
3）·（
G/
L）·
L0.16=0.080，
泛点气速:
uF=
=2.0m/s
对于一般得空塔气速取u=（0.6～0.8）UF,而MEA溶液容易起泡，可取0.5或则更低;u=0.5uF=1.0m/s
烟气流量:
V=15000/（273+160）×（273+40）×1/3600=3.01m3/s
D=
=1.96m
圆整为D=2000mm
并且塔径大于填料环径的20～30倍，填料的预先选择也是可取的。
U=V/（
/4×D2）=0.96m/s
空塔气速在一般的填料塔气速（0.2-1.0m/s）范围内。
液相重度校正系数:
=
水/
L=0.992/0.996=0.996
L/G·（
G/
L）1/2=0.176
u2/g·
·（
G/
L）·
L0.2
=0.962×220×0.996/9.81×1.17/996×0.820.2
=0.0232
查相关手册的“填料层压降的通用关联式”可得:
△P=23mmH2O/m填料
合适的△P≤50mmH2O/m填料，本设计是满足条件的。
润湿率LW=L/
=（8.07×104/996）/（93×
/4×2.02）
=0.28m3/（m·h）
这一结果大于最小润湿率0.08m3/（m·h），这个结果是可靠的。
4.填料层高度的计算
-GMdY=KGaP（y－y*）dh
由操作线及平衡线图可知:
y*≈0
故得:
-GMdY=KGaPY·dh/（1+Y）
h=
dY
KGa随液体中CO2的浓度而变，故沿塔高改变的比较大，不能视为常数，这里采用下式（*）来计算KGa:
KGa=F（L/uL）2/3[1+5.7M（X*-X）e0.0067·1.8t+32-3.4p]（*）
这里:
L—液相重量流速，kg/（m2·h）;
M—溶液中MEA摩尔浓度，molMEA/L;
F—根据填料类型和尺寸而定的系数，50mm瓷质拉西环的F=（2.2～3.3）×l0-3，这里取F=2.5×10-3
式（*）的满足条件为:
t<520C,x<0.5,p<0.5atm，这里是适用的。
以下数据是常数:
F=2.5×10-3
P=1atm
L=8.07×104/（
/4×2.02）=2.57×104kg/（m2h）
uL=0.82cP
M=2.44mol/L
t=400C
而X*可由平衡曲线得到。
X=GM/LM（Y-Y2）+X2=3.71×105/（1.98×105）（Y-0.0121）+0.15
P=Y/（1+Y）·1
用辛普生法作数值积分，计算如表（（n=6）;
i
Y
X
Xe
P
KGa
（1+Y）/（KGa·PY）
0
0.0121
0.150
0.465
0.012
23.5
3.56
1
0.0328
0.189
0.504
0.032
22.1
1.425
2
0.0534
0.227
0.528
0.051
20.0
0.986
3
0.0741
0.266
0.544
0.069
17.7
0.819
4
0.0947
0.305
0.555
0.086
15.4
0.751
5
0.1154
0.343
0.563
0.103
13.2
0.732
6
0.1360
0.382
0.571
0.120
11.2
0.745
dy=
[4×（1.425+0.819+
0.732）+2×（0.986+0.751）+3.56+0.745]=0.1354
从而填料层高:
h=371/（兀/4×2.O2）×0.1354=15.9m
取整到h=16m
三．解析塔的设计
解吸塔采用1200C的过热蒸汽解吸。
确定解吸塔操作温度:
1200C,
操作压力:
1atm
以下计算假定加热到1200C的MEA溶液的浓度仍为15%
1.平衡线
这里采用15.3%MEA溶液、1200C时CO2的溶解度数据，并结合1000C时的数据，可描绘出1200C时的平衡曲线。
p.mmHg
1
5
10
30
50
70
100
200
Y
0.00132
0.00662
0.0133
0,0411
0.0704
0.101
0.152
0.357
X,1000C
0.096
0.152
0.194
0.265
0.299
0.322
0.347
0.393
X,1200C
－
－
－
－
－
0.200
0.227
0.281
2.解吸所需蒸汽量
X2=0.38.Y2*=0.45（如虚线所示），
X1=0.15，Y1=0
（L·/G·）max=（Y2·-Y1）/（X2-X1）=（0.45一0）/（0.38一0.15）=1.96
L*=1.98×105mol/h
G*min=1.01×105mol/h
若蒸汽用量为理论蒸汽最小用量的1.4倍，则:
G*=1.4×1.01×1O5=1.41×105mol/h
Y2=（L·/G·）（X2-X1）+Y1=1.98×105/（1.41×105）×（0.38一0.15）+0=0.32，得操作线。
回流比R=1.41×105/（1.98×105×（0.38-0.15）=3.1（<<气体净化>>中所述R在3:
1～1:
1范围内）
操作温度t=120×9/5+32=2480F,
查<<气体净化>>P19，估计15.0%、含0.38molCO2/molMEA的MEA溶液的运动粘度
L=0.40cSt,
查<<气体净化>>P17MEA溶液密度:
L=960kg/m3。
L=
L
L=0.40×0.960=0.38cP
蒸汽的体积流率:
V=1.41×105×22.4×10-3×（273+120）/273=4.5l03m3/h,
质量流率:
G=1.41×1O5×18×10-3=2.54×103kg/h
密度:
G=G/V=0.558kg/m3
3.塔径与压力降
填料采用5Omm钢质拉西环，乱堆。
查得填料的特性:
干填料因子:
a/
3=l30m-1
填料因子:
=175m-1
而:
L=8.1×104Kg/h
G=2.54×103Kg/h
G=0.558Kg/m3
L=960kg/m3
得:
（L/G）1/4（
G/
L）0.125=0.94，
查知:
uF2/g·（
/
3）·（
G/
L）·
L0.16=0.025，
uF=
=1.95m/s
取空塔气速为泛点气速的0.6倍:
u=0.6uF=0.6×1.95=1.17m/s
蒸汽流量:
V=4.55×103m3/h=1.26m3/s
塔径：
D=
=
=1.17
圆整取D=1200mm（塔径与填料环径比是适宜的）
空塔气速:
u=V/（
/4D2）=l.llm/s
=
水/
L=943.1/960=0.982
u2/g·
·（
G/
L）·
L0.2
=1.112/9.81×0.982×175×0.558/960×0.3800.2
=0.010
L/G·（
G/
L）1/2=0.77
查相关手册的“填料层压降的通用关联式”可得:
△P=22mmH20/m填料
合适的△P在15～50mmH20/m填料范围内,是满足条件的.
4.填料层高度
解吸塔的填料高度，通常不是根据严格的计算而是凭经验确定的（见<<气体净化>>P32,这里只作简单估算（等板高度法）。
由操作线及平衡线，理论塔板数:
NT
5
填料层用于吸收（脱吸）操作的等板高度HETP按1.5～1.8m估计，这里
HETP=1.8m。
则填料层高:
h=5×1.8=9m
5.再生所需能量估算
解吸的能量主要用于:
①使水蒸发成蒸汽与酸性气体一起离开塔的解吸段;
②提供使进料温度升高至贫液离开再沸器温度所需要的显热;
③提供使胺·酸性气体化合物分解所需的反应热。
（1）.水蒸发成蒸汽的热量
假定再沸器中的初始温度为800C，在1atm下操作，
水量:
G=2.54×103kg/h,
水从800C升温到1000C所需热量（平均比热4.208kJ/（kg·0C））:
2.54×103×4.208×（100一80）=2.14×105kJ/h
100℃水蒸发成蒸汽的能量:
2258.4×2.54×103=5.74×106kJ/h
1000C蒸汽升温到1200C:
（2708.9－2677.0）×2.54×103=8.10×104kJ/h
W1=2.14×105+5.74×106+8.10×104=6.04×106kJ/h
（2）.MEA溶液升温所需能量
来自吸收塔的MEA富液温度:
400C（=1040F）:
来自再生塔的MEA贫液温度:
1200C（=2480F）o
两股液体经换热器换热。
查<<气体净化>>P21,15%MEA的热容104～2480F的范围内变化不大，作为粗略估经换热后MEA贫、富液的温度t，可以认为热容不随温度变化，由
t－40≈120－t
t≈800C
可以估计:
MEA富液经换热后的温度为750C:
MEA贫液经换热后的温度为850C.
取15%MEA溶液75～120℃范围内的平均热容为0.98英热单位/（磅.0F），即:
4.1OkJ/（kg·0C）
则MEA溶液从750C升温到120℃的热量为:
W2=4.10×8.07×104×（120－75）=1.49×107kJ/h
（3）.提供使胺一酸性气体化合物分解所需的反应热
MEA溶液中CO2浓度增至0.5mo1CO2/molMEA,CO2与MEA的反应热几乎为常数。
这里假定反应热与CO2浓度无关。
取反应热825英热单位/磅气体，即:
825×1.055/0.4536=1.92×103KJ/Kg气体
W3=1.92×103×1.98×105×（0.38－0.15）×44×10-3
=3.85×106kJ/h
（4）.总共所需热量
W=W1+W2+W3
=6.04×106+1.49×107+3.85×106
=2.48×107kJ/h
四、设计参数及结果
1.吸收塔
2.解析塔
操作温度:
400C
操作压力:
1atm
填料:
50mm瓷质拉西环，乱堆
烟气量:
1.57×104KG/h
吸收液:
15%MEA溶液，8.07×104kg/h
塔径:
2000mm
填料层高:
16mm
压降:
23mmH2O/m填料,
润湿率:
0.28m3/（m·h）
入塔烟气CO2含量:
12%
出塔烟气CO2含量:
1.2%
入塔MEA液CO2含量:
0.15molCO2/molMEA
出塔MEA液CO2含量:
0.38molCO2/molMEA
操作温度:
1200C
操作压力:
1atm
填料:
50mm钢拉西环，乱堆
蒸汽量:
2.54×103kg/h
塔径:
1200mm
填料层高:
9m
压降:
22mmH2O填料
再生所需能量约:
2.5×107KJ/h
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