Công nghệ xử lý khí - Phần 2 docx

GIẢN ĐỒ PHA CỦA ĐƠN CHẤT Đối với chất riêng biệt bao giờ cũng tồn tại điểm tới hạn C: critical point tại đó tương ứng ta có áp suất tới hạn Pc và nhiệt độ tới hạn Tc Hình 2.4: Giản đồ ph

PHẦN 2 GIẢN ĐỒ PHA VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ THÔNG SỐ VẬT LÝ CỦA ĐƠN CHẤT

Các thông số vật lý của một đơn chất là hoàn toàn xác định theo các bảng sau:

Hình 2.2 : Bảng thông số vật lý

GIẢN ĐỒ PHA CỦA ĐƠN CHẤT

Đối với chất riêng biệt bao giờ cũng tồn tại điểm tới hạn (C: critical point) tại đó tương ứng ta có áp suất tới hạn Pc và nhiệt độ tới hạn Tc

Hình 2.4: Giản đồ pha của đơn chất C2H6

Khi nhiệt độ và áp suất cao hơn nhiệt độ điểm tới hạn khi ấy đơn chất trong vùng “dense phase” đó là vùng trạng thái một pha, vật chất trong vùng này có các tính chất vật lý (thể tích riêng, khối lượng riêng, entanphy, độ nhớt… ) là trung gian giữa chất khí và lỏng Như vậy trong vùng này ta không thể thay đổi các thông số công nghệ để đưa chất đó về trạng thái hai pha được, điều đó có nghĩa là quá trình hoá lỏng một phần hay toàn bộ khí một cấu tử bằng phương pháp nén chỉ thực hiện được khi hạ nhiệt độ khí đó xuống dưới nhiệt độ tới hạn

Khi đi từ a xuống b (đẳng nhiệt, giảm áp) đơn chất chuyển từ lỏng sang khí, khi đi từ e qua d (đẳng áp, giảm nhiệt ) thì đơn chất chuyển pha từ khí sang lỏng

GIẢN ĐỒ PHA CỦA HỖN HỢP KHÍ NHIỀU CẤU TỬ

Hình 2.5: Giản đồ pha của hỗn hợp khí

Trong hỗn hợp hay dung dịch khí nhiều cấu tử , vùng tới hạn thường là một khoảng rộng các thông số và phụ thuộc vào thành phần khí Xét trạng thái hệ nhiều cấu tử trong giản đồ P,T hình 2.5, hình 2.6:

Ta thấy có các lưu ý:

Điểm tới hạn C , tại đó hai pha trở thành một pha

Điểm B (cricondenbar) điểm tương ứng với áp suất lớn nhất mà ở đó hỗn hợp có thề ở trạng thái hai pha

Điểm T (cricondenthermal) điểm tương ứng với nhiệt độ lớn nhất mà tại đó hỗn hợp có thể tồn tại ở trạng thái hai pha

Những giá trị cực đại của áp suất và nhiệt độ mà tại đó hỗn hợp nhiều cấu tử có thể tồn tại ở trạng thái hai pha được gọi là nhiệt độ và áp suất ngưng tụ tới hạn của hỗn hợp

Hình 2.6: Vị trí vài thông số trên giản đồ pha

Vị trí tương hỗ của các điểm C, B, T trên giản đồ P,T phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp Trên giản đồ P,T phần đường bên trái cho tới C là đường điểm sôi (bubble) còn phần đường bên phải là đường điểm sương (dewpoint )

Trong các quá trình thuận thì khi nén lên, hoặc khi giảm nhiệt độ thì chất lỏng ngưng tụ tăng lên Còn ngược lại khi nén lên hay khi giảm nhiệt mà lượng chất lỏng ngưng tụ giảm đi thì đó là quá trình (ngưng tụ , bay hơi) ngược

Trong công nghệ khí người ta hay dùng máy nén để nén khí tăng áp, expander để giảm áp, van giảm áp, trao đổi nhiệt để tăng giảm nhiệt, quạt giảm nhiệt…Khi đạt điều kiện thích hợp một cấu tử nào đó của khí bắt đầu ngưng tụ tất nhiên khí có nhiệt độ ngưng tụ cao nhất sẽ ngưng tụ trước tuy nhiên ta chú ý các cấu tử khí có tính chất hoà tan được trong hydrocacbon lỏng như vậy chắc chắn mặc dù một vài cấu tử chưa đủ điều kiện hoá lỏng thì chúng đã hoà tan một phần sang thể lỏng

Mức độ ngưng tụ các H-C sẽ tăng khi áp suất tăng ở nhiệt độ không đổi, hoặc khi giảm nhiệt độ ở áp suất không đổi Tuy nhiên quá trình ngưng tụ của hai trường hợp trên sẽ sảy ra khác nhau, khi tăng áp thì các cấu tử nhẹ bị hoà tan vào pha lỏng càng nhiều lên điều này không tốt, khi tăng áp hay giảm nhiệt thì các cấu tử nặng chuyển sang pha lỏng nhanh hơn

Công thức qui đổi nhiệt độ:

ToC = ToK-273,15

ToR = 1,8 ToK

NHIỆT ĐỘ TỚI HẠN Tc, ÁP SUẤT TỚI HẠN Pc:

Đối với đơn chất Tc, Pc là các thông số đã biết qua hình 2.1, 2.2, 2.3

Đối với hỗn hợp sau khi phân tích thành phần hỗn hợp người ta tính Tc, Pc như sau:

Tc=∑Tci x yi ; Pc=∑Pci x yi yi: là phần mole của cấu tử trong hỗn hợp

Ví dụ: Tính toán các thông số nhiệt độ tới hạn Tc, áp suất tới hạn Pc, khối lượng phân tử MW, hệ số không đồng bộ (acentric) W theo công thức cho hỗn hợp như sau:

CÂN BẰNG PHA LỎNG – KHÍ CỦA HỆ HYDROCACBON

Đại lượng đặc trưng cho sự phân bố các cấu tử giữa các pha trong điều kiện cân bằng được gọi là hằng số cân bằng pha Nó được xác định bằng phương trình:

Ki=yi/xi

yi là phần mol của cấu tử trong pha hơi, xi là phần mol của cấu tử trong pha lỏng

Ki phụ thuộc vào áp suất , nhiệt độ, và áp suất hội tụ (áp suất mà ở đó các hằng số cân bằng của tất cả mọi thành phần đều bằng 1) của hệ

Aùp suất hội tụ được xác định theo thành phần của pha lỏng cân bằng (mà thành phần pha lỏng này cũng là ẩn số) do đó thường thì ta chọn một áp suất hội tụ cho hệ lỏng sau đó tra các Ki, tính toán

ra thành phần lỏng khí, sau đó từ thành phần lỏng cân bằng ta lại tính ra áp suất hội tụ nếu áp suất hội tụ chọn và tính toán giống nhau thì đó là kết quả đúng Trong thực tế trong các hệ dầu khí có áp suất dưới 50 bar thì các hằng số cân bằng Ki không phụ thuộc áp suất hội tụ khi đó quá trình tính toán được đơn giản hoá đi rất nhiều

Để tính áp suất hội tụ theo các bước như sau :

Chuyển pha lỏng cân bằng thành hệ bậc hai giả trong đó cấu tử thứ nhất là cấu tử nhẹ, có lượng không ít hơn 0,1%mole, cấu tử thứ hai là gồm các cấu tử còn lại

Tính nhiệt độ tới hạn trung bình khối và áp suất tới hạn trung bình khối đối với cấu tử giả nặng theo phương trình:

Ttbk=∑xiMWiTci / ∑xiMWi

Ptbk=∑xiMWiPci / ∑xiMWi

Tci(k) Pci(kpa ) yi MW i Mw i*yi Pci*yi Tci*yi w i yi*w i

C1 190.56 4599 0.7 16.043 11.2301 3219.3 133.392 0.0104 0.00728 C2 305.41 4800 0.1 30.07 3.007 480 30.541 0.0979 0.00979 C3 369.77 4240 0.05 44.097 2.20485 212 18.4885 0.1522 0.00761 iC4 407.82 3640 0.03 58.123 1.74369 109.2 12.2346 0.1852 0.005556 nC4 425.1 3784 0.02 58.123 1.16246 75.68 8.502 0.1995 0.00399 iC5 460.35 3381 0.015 72.15 1.08225 50.715 6.90525 0.228 0.00342 nC5 469.65 3365 0.015 72.15 1.08225 50.475 7.04475 0.2514 0.003771 nC6 506.4 3030 0.01 86.117 0.86117 30.3 5.064 0.2994 0.002994 nC7 539.2 2740 0.01 100.204 1.00204 27.4 5.392 0.3494 0.003494 nC8 568.4 2490 0.01 114.132 1.14132 24.9 5.684 0.3977 0.003977 nC9 594.7 2280 0.01 128.258 1.28258 22.8 5.947 0.4445 0.004445 nC10 617.7 2100 0.01 142.258 1.42258 21 6.177 0.4898 0.004898 CO2 304.11 7374 0.01 44.01 0.4401 73.74 3.0411 0.2667 0.002667 H2S 373.37 8963 0.005 34.082 0.17041 44.815 1.86685 0.0948 0.000474 N2 126 3399 0.003 28.0134 0.08404 10.197 0.378 0.0372 0.0001116 H2O 647 22118 0.002 18 0.036 44.236 1.294 0.3443 0.0006886 Total 1 27.9528 4496.758 251.9521 0.0651662

Sau đó đánh dấu trên hình 2.7 vị trí cấu tử giả nặng có tung độ và hoành độ là Ptbk, Ttbk , bằng con đường nội suy giữa các đường cong tới hạn bậc 2 có trên đồ thị chúng ta vẽ đường cong tới hạn cấu tử nhẹ-cấu tử giả nặng

Từ đường cong vẽ được và áp suất ban đầu của hệ điểm gióng từ nhiệt độ qua đường cong chính là áp suất hội tụ

F tổng số moles khí vào bình

V tổng số moles khi ra khỏi bình

L tổng số moles chất lỏng ngưng tụ

Phương trình cân bằng vật chất Fzi = Vyi + Lxi; F=V+L , Ki=yi/xi

Thay vào Fzi = Vyi+Lxi , yi =Ki*xi => Fzi = Vki*xi + Lxi =xi(L+Vki)

Để đơn giản ta xét F=1 khi đó xi = zi/( L+Vki)

Ta chú ý ∑xi = 1 như vậy ∑zi/( L+Vki) =1 trong phương trình này zi đã biết, Ki tra theo P,T, ta chỉ cần thay L (từ 0 đến 1) để cho ∑zi/( L+Vki) =1 là được

Dòng khí vào bình tách có thể không có ngưng tụ chất lỏng khi đó L = 0, V=1 khi này bài toán là xác định điều kiện dewpoint P,T

hay dòng khí ngưng tụ hoàn toàn L=1, V= 0 khi đó bài toán là xác định điều kiện bublepoint Bài toán tính thành phần khí khi qua bình tách khí: (solution02)

Trước khi làm bài toán này bạn phải chắc chắn hỗn hợp vào bình phải là trạng thái hai pha thì khi đó mới có phân chia lỏng khí Các điều kiện dưới đây cho phép bạn dự đoán trạng thái dòng khí vào bình tách :

Nếu ∑kizi và ∑(zi/ki) cả hai đều lớn hơn 1 thì dòng vào bình là 2 pha

∑kizi nhỏ hơn 1 thì dòng vào là toàn lỏng , ∑kizi = 1 dòng vào là bublepoint

∑(zi/ki) nhỏ hơn 1 thì dòng vào là toàn khí, ∑(zi/ki) = dòng vào là dewpoint

∑kizi và ∑(zi/ki) sẽ không đồng thời nhỏ hơn 1

Cho P=4140kpa, T= -30o C ta chọn L sao cho total cột G=1 và cột H=1 là hệ cân bằng, có P, T tra bảng ra Ki (lưu ý Kco2=(Kc1*Kc2)0,5 )

Tìm P=1758 kpa T= 49C ta chọn L=1 vì trạng thái bublepoint sao cho total cột H=1và cột G=1, có P, T tra ra Ki

Bài toán ví dụ để kiểm tra áp suất hội tụ:

Cho hỗn hợp khí qua bình tách khí ở 3400kpa và –30oC hãy tính thành phần khí lỏng ra khỏi bình tách:

Moles Ni or zi Ki L moles V moles L+Vki xi=Ni/(L+Vki) yi=Ki*xi

Hình 2.8 : Đồ thị tra hệ số cân bằng của CO2 áp suất hội tụ 1500psi

Hình 2.9: Đồ thị tra hệ số cân bằng của H2S áp suất hội tụ 1500psi

Hình 2.10: Đồ thị tra hệ số cân bằng K của N2 áp suất hội tụ 1500psi

Hình 2.12: Đồ thị tra hệ số cân bằng K của CH4 áp suất hội tụ 1500psi

Hình 2.11: Đồ thị tra hệ số cân bằng K của C2H6 áp suất hội tụ 1500psi

Hình 2.13: Đồ thị tra hệ số cân bằng K của C3H8 áp suất hội tụ 1500psi

Hình 2.14: Đồ thị tra hệ số cân bằng K của iC4H10 áp suất hội tụ 1500psi

Hình 2.15: Đồ thị tra hệ số cân bằng K của nC4H10 áp suất hội tụ 1500psi

Hình 2.16: Đồ thị tra hệ số cân bằng K của C5H12 áp suất hội tụ 1500psi

Hình 2.17: Đồ thị tra hệ số cân bằng K của nC6H14 và của nC7H16 áp suất hội tụ 1500psi

Hình 2.18: Đồ thị tra hệ số cân bằng K của nC8H18 và của nC9H20 áp suất hội tụ 1500psi

Hình 2.19 : Đồ thị tra hệ số cân bằng K của C10H22 áp suất hội tụ 1500psi

PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ HYDROCACBON

Phương trình cơ bản PV=ZnRT

P: áp suất hỗn hợp khí (kpa)

V: thể tích hỗn hợp khí (m3)

Z: hệ số nén

n: số moles hỗn hợp khí

R: hằng số khí = 8,3145

T: nhiệt độ hỗn hợp khí (oK)

CHƯƠNG TRÌNH TÍNH HỆ SỐ NÉN Z: THEO VAN DER WAALS

CHÚ Ý Z CHỈ ĐÚNG KHI F(Z)=0

CHƯƠNG TRÌNH TÍNH HỆ SỐ NÉN Z: THEO PENG ROBINSON

CHƯƠNG TRÌNH TÍNH HỆ SỐ NÉN Z: THEO REDLICH -KWONG

CHÚ Ý Z CHỈ ĐÚNG KHI F(Z)=0

CHƯƠNG TRÌNH TÍNH HỆ SỐ NÉN Z: THEO REDLICH KWONG BARXUK

d=Σdi*yi bi=0,0867RTc/Pc

CHÚ Ý Z CHỈ ĐÚNG KHI F(Z)=0

Các hệ số lấy như sau:

C1 190,56 4599 4,934 8 1,5 C2 305,41 4880 4,934 8,3 0 C3 369,77 4240 4,934 8,82 0 IC4 407,82 3640 4,934 9,3 0 NC4 425,1 3784 4,934 9,35 0 IC5 460,35 3381 4,934 9,4 0 NC5 469,65 3365 4,934 9,5 0 NC6 506,4 3030 4,934 10 0 NC7 539,2 2740 4,934 10,5 0 NC8 568,4 2490 4,934 11 0 NC9 594,7 2280 4,934 11,2 0 nC10 617,7 2100 4,934 11,6 0 CO2 304,11 7374 3,5 6,8 0

Để tính toán nhanh chóng hệ số nén của khí hydrocacbon người ta còn dùng cách tra đồ thị hình

2.20 thông qua các thông số áp suất, nhiệt độ qui đổi :

Pr=P/Pc ; Tr = T/Tc

Hình 2.20: Đồ thị tra hệ số nén Z của khí tự nhiên

Ví dụ : Tính z cho hỗn hợp khí sau ở 13,94Mpa, 3310K ( solution 7 )

C1 190.6 4599 0.8414 16.043 13.4986 3869.599 160.3372 C2 305.4 4880 0.0059 30.070 0.17741 28.32 1.801919 C3 369.8 4240 0.0008 44.097 0.03528 3.392 0.295816 iC4 407.8 3640 0.0003 58.123 0.01744 1.092 0.122346 nC4 425.1 3784 0.0002 58.123 0.01162 0.7568 0.08502 CO2 304.1 7374 0.003 44.010 0.13203 22.122 0.91233 H2S 373.4 8963 0.1438 34.082 4.90099 1288.879 53.69061 N2 126 3399 0.0046 28.013 0.12886 15.6354 0.5796

Total 1 18.9022 5229.796 217.8248

Pr/ = 13,94/5,23 = 2,67

Tr/ = 331/218 = 1,52

Tra đồ thị 2.20 ta được z = 0,8

KHỐI LƯỢNG RIÊNG, THỂ TÍCH RIÊNG KHÍ HYDROCACBON

Từ phương trình PV=ZnRT Xét n kmoles khí có thể tích V sẽ nặng nMW kg

Khối lượng riêng ρ (kg/m3) = nMW/V do đó ρ = P*MW/(ZRT)

Thể tích riêng v(m3/kg) = 1/ρ = (ZRT)/ (P*MW)

Lưu ý V(m3) là thể tích mole ở P,T khác với thể tích riêng v(m3/kg)

KHỐI LƯỢNG RIÊNG HỆ HYDROCACBON LỎNG

Trong thực tế tính toán khối lượng riêng của hệ hydrocacbon lỏng ta dùng công thức Kreg

Ví dụ: Tính khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng C2 80%, C3 20% ở 10 độ C ,10000kpa

ρ2 là khối lượng riêng của hydrocacbon lỏng ở trạng thái 2

ρ1 là khối lượng riêng của hydrocacbon lỏng ở trạng thái 1

C2 là hệ số khối lượng riêng của hydrocacbon lỏng ở trạng thái 2 tra đồ thị 2.21

C là hệ số khối lượng riêng của hydrocacbon lỏng ở trạng thái 1 tra đồ thị 2.21

oAPI = 145,5/γ -131,5

γ = 145,5/( oAPI +131,5) Giải bài trên:

Tci(k) Pci(kpa) Yi Mwi Mwi*yi Pci*yi Tci*yi vi(m3/kmol)std vi*yi

C2 305.41 4880 0.8 30.07 24.056 3840 244.328 0.084051 0.0672408 C3 369.77 4240 0.2 44.097 8.8194 848 73.954 0.086925 0.017385

Tra đồ thị 2.21 ta có C1 = 0,715

xét hỗn hợp ở trạng thái 2 có T=10oC, TR = (10+273)/318.282 = 0,884, PR = 10000/4688 = 2,133 Tra đồ thị 2.21 ta có C2 = 0,79

ρ2 = ρ1(C2/C1) = 388,48(0,79/0,715) = 430kg/m3

Hình 2.21: Đồ thị tra hệ số C

Hình 2.22: Đồ thị hiệu chỉnh theo áp suất cho khối lượng riêng của hydrocacbon lỏng chịu nén Khi biết khối lượng riêng ở ĐKC ta có thể tính khối lượng riêng của chất lỏng ở trạng thái bão hoà (nhiệt độ T) bằng các công thức của CAVETT như sau:

ρL,60 (lb/ft3) khối lượng riêng chất lỏng ở 60oF

T nhiệt độ của hệ (R)

Tc nhiệt độ tới hạn (R)

ĐỘ NHỚT CỦA HỖN HỢP KHÍ

µm = [Σ µi yi (MWi)0.5 ]/ [Σ yi (MWi)0.5 ]

µm độ nhớt của hỗn hợp khí

µi độ nhớt của từng thành phần

yi phần moles thành phần i

MWi khối lượng phân tử thành phần i

Hình 2.23:Đồ thị tra độ nhớt của gas ở áp suất STD theo MW và nhiệt độ có hiệu chỉnh theo thành

phần sau đó cần phải hiệu chỉnh theo áp suất thực tế

Trong tính toán khi có MWi hay γi ta tra ra µi sau đó tính ra µm = µ1 là độ nhớt của hỗn hợp khí ở điều kiện chuẩn , sau đó tính PR , TR , tra đồ thị ta có µ/µ1 từ đó tính ra µ ở P,T Hoặc đơn giản hơn là tính MW của hỗn hợp rồi tra ra µm = µ1

Hình 2.24: Đồ thị tra µ/µ1 cho khí tự nhiên

Ví dụ: tính độ nhớt của hỗn hợp khí H-C có MW=22, ở P=6895kpa(abs), T=40oC, Tc =226,9oK,

Pc=4885kpa(abs)

Giải: MW=22 tra đồ thị 2.23 ta có µ1 = 0,0105mPa.s

PR = 6895/4885=1.411 và TR = (40+273)/226,9=1.38 tra đồ thị 2.24 ra µ/µ1 = 1,21

Do đó độ nhớt hỗn hợp khí ở P=6895kpa(abs), T=40oC là µ = µ1 * 1,21 =0,0105*1,21=0,0127mPa.s Nếu hỗn hợp khí có nhiều thành phần không phải gốc hydrocacbon thì ta phải hiệu chỉnh như sau:

if Tr>1,5 then ξµ A = 0.000489 µ A = 0.01112 mPa.s viscosity at 101,325kpa and T= 283

if Tr<=1,5 then ξµ A = 0.000492 µ A = 0.0112 mPa.s viscosity at 101,325kpa and T= 283

tra đồ thị 2.24 ta có µ/µ A = 1.15 nên µ= 1.15 *µ A

Solution 18

Hình 2.25: Đồ thị tra độ nhớt của gas theo áp suất và nhiệt độ ĐỘ NHỚT HYDROCACBON LỎNG

µm = [Σ µi xi]1/3

µm độ nhớt của hỗn hợp lỏng centipoice (cp)

µi độ nhớt của từng thành phần i tra đồ thị hình 2.26:

x phần moles thành phần i

Hình 2.26: Đồ thị tra độ nhớt cấu tử hydrocacbon lỏng tuỳ theo nhiệt độ

Đối với dầu thô độ nhớt tính như sau:

Tính độ nhớt của hỗn hợp dầu thô khi biết nhiệt độ sôi trung bình Tb và tỉ trọng γ:

hệ số Watson Kw = [(Tb 1,8)1/3]/γ

Tb = ∑Tbi*xi

Tbi tra bảng

γ tỉ trọng ở STD

Ví dụ: Hỗn hợp dầu thô có Tb (nhiệt độ sôi trung bình) là 163oC và γ = 0,7688 hãy tính độ nhớt của

hỗn hợp dầu thô ấy ở 40oC và 100oC

Giải:

độ nhớt của hỗn hợp dầu thô ấy ở 40oC là 0,909 cs và ở 100oC là 0,513cs

Muốn biết chính xác người ta tính toán qua các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm

NHIỆT ĐỘ SÔI, NHIỆT ĐỘ TỚI HẠN, ÁP SUẤT TỚI HẠN TÍNH THEO n trong CnH2n+2

Một cách tương đối ta có thể tính các thông số trên qua công thức giải tích sau đây:

Ts(K)= (193.3-0.05*n)*(n-1)^0.91-121*n+232.7 Tc(K)= 391.7*(n-1)/(2.645+(n-1)^0.785)+190.7 Pc(kpa)= 49510/(7.977+n^1.2)

Chú ý Ts(K) tính theo công thức trên có áp suất là ở ĐKC (101,325kpa)

Kết quả tính toán: