Μοντελοποίηση της διεργασίας απομάκρυνσης του υδροθείου από το φυσικό αέριο

Μπήτος, Κωνσταντίνος; Bitos, Konstantinos

dc.contributor.author	Μπήτος, Κωνσταντίνος	el
dc.contributor.author	Bitos, Konstantinos	en
dc.date.accessioned	2018-11-23T12:17:43Z
dc.date.available	2018-11-23T12:17:43Z
dc.date.issued	2018-11-23
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48116
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15951
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Φυσικό αέριο	el
dc.subject	Υδρόθειο	el
dc.subject	Αλκανολαμίνες	el
dc.subject	Θερμοδυναμικό μοντέλο	el
dc.subject	Γλύκανση του φυσικού αερίου	el
dc.subject	Natural gas	en
dc.subject	Hydrogen sulfide	en
dc.subject	Alkanolamines	en
dc.subject	Thermodynamic model	en
dc.subject	Natural gas sweetening	en
dc.title	Μοντελοποίηση της διεργασίας απομάκρυνσης του υδροθείου από το φυσικό αέριο	el
dc.title	Thermodynamic modeling of the removal's process of hydrogen sulfide from natural gas	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Εφαρμοσμένη θερμοδυναμική	el
heal.classification	Applied thermodynamics	en
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-06
heal.abstract	Το φυσικό αέριο είναι ένα πετρελαϊκό ρευστό το οποίο τα τελευταία χρόνια αποτελεί βασική πηγή ενέργειας. Κατά κύριο λόγο αποτελείται από μεθάνιο, όμως περιέχει και άλλους ελαφρούς και βαρύτερους υδρογονάνθρακες καθώς και κάποιες ανεπιθύμητες ουσίες όπως: διοξείδιο του άνθρακα (CO2), υδρόθειο (H2S), N2, Hg, He κ.α.. Για την ικανοποίηση των ποιοτικών και περιβαλλοντικών προδιαγραφών, είναι αναγκαία η απομάκρυνση των ανεπιθύμητων αυτών ουσιών. Ιδιαίτερη σημασία δίνεται στην απομάκρυνση των CO2 και Η2S, τα οποία χαρακτηρίζονται ως όξινα αέρια. Η απομάκρυνση των CO2 και Η2S πραγματοποιείται με διάφορες μεθόδους, όπως: (α) η απορρόφηση, φυσική και χημική, (β) η προσρόφηση, (γ) η εκρόφηση και (δ) η χρήση μεμβρανών. Το σύνολο των διεργασιών απομάκρυνσης των όξινων αερίων ονομάζεται γλύκανση του φυσικού αερίου. Η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος είναι η χημική απορρόφηση με τη χρήση αλκανολαμινών, όπως μονοαιθανολαμίνη (ΜΕΑ), διαιθανολαμίνη (DEA), μεθυλ-δι-αιθανολαμίνη (MDEA) και των μιγμάτων τους. Η διεργασία αυτή, πραγματοποιείται σε πύργο απορρόφησης όπου στη μία στήλη έρχονται σε επαφή το ρεύμα του φυσικού αερίου με τα όξινα αέρια και το υδατικό διάλυμα αλκανολαμινών, όπου πραγματοποιείται χημική αντίδραση στην υγρή φάση και οι αμίνες εκπλένουν τα όξινα αέρια. Στη δεύτερη στήλη γίνεται η αναγέννηση του διαλύτη, δηλ. των αλκανολαμινών. Η θερμοδυναμική μοντελοποίηση των συγκεκριμένων συστημάτων με σκοπό την ακριβή περιγραφή της χημικής ισορροπίας και της ισορροπίας φάσεων είναι αναγκαία για τον επιτυχή σχεδιασμό της διεργασίας και αποτελεί μια πρόκληση λόγω της ιδιαιτερότητας του μίγματος. Στην παρούσα εργασία, η μελέτη επικεντρώνεται στην απομάκρυνση του υδροθείου με τη χρήση υδατικών διαλυμάτων αλκανολαμινών και πραγματοποιείται θερμοδυναμική μοντελοποίηση των συστημάτων «όξινο αέριο-αμίνη-νερό». Ειδικότερα, πραγματοποιήθηκε η επέκταση του θερμοδυναμικού μοντέλου UMR-PRU, που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Θερμοδυναμική και Φαινομένων Μεταφοράς, στα συστήματα Η2S-MDEA-H2O, Η2S-MEA-H2O και Η2S-MDEA/MEA-H2O. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε βιβλιογραφική επισκόπηση των πειραματικών δεδομένων διαλυτότητας του υδροθείου σε υδατικά διαλύματα ΜΕΑ και MDEA και δημιουργήθηκε βάση δεδομένων. Καθορίστηκαν οι χημικές αντιδράσεις που περιγράφουν το σύστημα, βρέθηκαν οι σταθερές ισορροπίας και διατυπώθηκαν τα ισοζύγια μάζας, όπου από την ταυτόχρονη επίλυση τους υπολογίστηκε η χημική ισορροπία, δηλαδή, η σύσταση της υγρής φάσης. Η περιγραφή της ισορροπίας φάσεων ατμού- υγρού πραγματοποιήθηκε στη συνέχεια με το μοντέλο UMR-PRU. Για το σκοπό αυτό, έλαβε χώρα η προσαρμογή των παραμέτρων του μοντέλου σε πειραματικά δεδομένα διαλυτότητας του H2S και έλεγχος της αξιοπιστίας τους, οδηγώντας σε ικανοποιητικά αποτελέσματα πρόρρησης. Πιο συγκεκριμένα, στο σύστημα H2S-MDEA-H2O υπολογίστηκε μέσο σταθμισμένο σφάλμα 27.07% για τις ολικές και 37.06% για τις μερικές πιέσεις, ενώ τα 13 αντίστοιχα σφάλματα για το σύστημα H2S-MEA-H2O υπολογίστηκαν 27.62% και 40.14%. Για την πρόρρηση των πειραματικών δεδομένων μερικών πιέσεων των μιγμάτων αμινών το μέσο σταθμισμένο σφάλμα που προέκυψε ήταν 74.61%. Παράλληλα, επετέυχθει επιτυχής επέκταση του μοντέλου στα υπό εξέταση συστήματα (H2S-αμίνη- H2O). Τέλος, έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων του UMR-PRU με εκείνα του μοντέλου e-NRTL το οποίο είναι ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο μοντέλο για τέτοια συστήματα. Μάλιστα, το μέσο σταθμισμένο σφάλμα του UMR-PRU υπολογίστηκε χαμηλότερο από αυτό του e-NRTL σε όλες τις περιπτώσεις, εκτός αυτής των ολικών πιέσεων στο σύστημα H2S-MEA-H2O όπου τα δύο σφάλματα ήταν παρόμοια, αποδεικνύοντας έτσι την αξιοπιστία του ως θερμοδυναμικό μοντέλο.	el
heal.abstract	Natural gas is a petroleum fluid, that is constantly growing in importance as an energy source. Although it’s main component is methane, it also consists of other lighter or heavier hydrocarbons as well as some other, unwanted substances such as: carbon dioxide (CO2), hydrogen sulfide (H2S), N2, Hg, He etc. In order to comply with quality and environmental regulations, it is necessary to remove those unwanted substances. The removal of CO2 and Η2S, which are acid gases, is of special importance. The removal of those substances is achieved by several processes. Some of the most common are: a) absorption, physical or chemical, b) adsorption, c) desorption, and d) membranes’ separation. The process of removing of acid gases is called gas sweetening. The most common of the above techniques is the chemical absorption using aqueous solutions of alkanolamines, such as monoethanolamine (MEA), diethanolamine (DEA), methyl-diethanolamine (MDEA), and their mixtures. This process takes place in absorption towers. In the first column of such tower, the natural gas stream containing the acid gases makes contact with the aqueous solutions of the alkalolamines resulting in a chemical reaction in the liquid phase, where amines remove the acid gases. The solvent’s regeneration takes place in a second column, that of the alkanolamines. The thermodynamic modeling of those systems, in order to describe their chemical and physical equilibrium, is necessary so as to successfully design the process described above and remains a challenge due to the nature of the system. In the present work, we focus on the process of removal of hydrogen sulfide using aqueous solutions of alkanolamines and the thermodynamic modeling of the systems “acid gas-amine-Η2Ο”. Specifically, the extension of the thermodynamic model UMR-PRU, developed in the Thermodynamic and Transport Phenomena Laboratory of the School of Chemical Engineering of NTUA, was achieved for the systems Η2S-MDEA-H2O, Η2S-MEA-H2O, and Η2S-MDEA/MEA-H2O. The first step was the creation of a database concerning the solubility of hydrogen sulfide on aqueous solutions of MEA and MDEA. After that, the reactions describing the system were defined, as well as their equilibrium constants. By solving the appropriate mass balance equations together with those defining said equilibrium constants, the liquid phase’s composition in steady state was calculated. Secondly, the vapor-liquid equilibrium was calculated by UMR-PRU. For this reason, the fiting of the model’s parameters on hydrogen sulfide’s solubility experimental data and validation of the results received was attempted, leading to satisfying results. To be more specific, for the system H2S-MDEA-H2O, the weighted average deviation calculated was 27.07% for the total pressures and 37.06% for the partial pressures, while, for the system H2S-MEA-H2O the calculated weighted average deviation was 27.62% and 40.14% for the total and partial pressures, respectively. The weighted average deviation, that yielded for the prediction of the experimental data of partial pressures for the amine mixtures was 74.61%. Finally, the results yielded by 15 UMR-PRU were compared with those of e-NRTL, which is a widely used model on that kind of systems. The weighted average deviation of UMR-PRU proved to be lower than that of e-NRTL in all cases apart from the calculation of total pressures on H2S-MEA-H2O where the two numbers were close, proving UMR-PRU’s credibility as a thermodynamic model.	en
heal.advisorName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Μαγουλάς, Κωστής	el
heal.committeeMemberName	Χαραλάμπους, Αικατερίνη	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ). Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	126 σ.
heal.fullTextAvailability	true