Tính toán thiết kế hệ thống sấy khô khí thiên nhiên bằng phương pháp hấp phụ sử dụng tác nhân sấy là zeolit a

MỤC LỤCvai trò của khí thiên nhiên trong nền kinh tế quốc dân Phần II: Tính toán thiết kế hệ thống sấy khô khí thiên nhiên bằng 27 phưoìig pháp hấp phụ sử dụng tác nhân sấy là zeolitA VI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA

CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

BỘ MÔN HŨU Cơ - HOÁ DẦU

£0 ^ 0 3

ĐỚ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

Tính toán thiết kế hệ thống sấy khô khí thiên nhiên bằng phưong pháp hấp phụ sử dụng tác nhân sấy là zeolitA

Giáo viên hướng dẫn: PGS TS

NGUYỄN thị minh hiển Sinh viên thực

hiện : PHẠM VĂN CƯƠNG Lóp :

03NA - 05 HOÁ DẨU

3

MỤC LỤC

vai trò của khí thiên nhiên trong nền kinh tế quốc dân

Phần II: Tính toán thiết kế hệ thống sấy khô khí thiên nhiên bằng 27 phưoìig pháp hấp phụ sử dụng tác nhân sấy là zeolitA

VII. Vận tốc tuyến tính của khí ở điều kiện làm việc 32

XIII Tính tổn thất khi khí chuyển động qua lóphạt 34

chất hấp phụ

Trong khí tự nhiên thành phần chủ yếu là metan (chiếm đến 98% theo thế tích) Các mỏ khí

tự nhiên là các túi khí nằm sâu trong lòng đất

Khí đồng hành: nhận được từ các mỏ dầu cùng với quá trình khai thác dầu mỏ Trong thànhphần của khí đồng hành ngoài cấu tử chính là metan còn có etan, propan, butan và các hydrocacbonnặng với hàm lượng đáng kế Thành phần những cấu tử cơ bản của khí thay đối trong một phạm vikhá rộng tùy theo mỏ dầu khai thác

Với sự có mặt của hơi nước, CO2, N2, H2S và các hợp chất chứa lưu huỳnh trong khí tựnhiên và khí đồng hành thì nó sẽ gây xấu đến thiết bị vận chuyển, chế biến khí, phức tạp trong quátrình vận chuyển không an toàn khi sử dụng Trong đó nước là tạp chất tạo họp chất hydrat vớihydrocacbon, các hydrat này có khả năng tạo thành mạch tinh thể bền vững vì các hydrat này là cáctinh thể màu trắng về bản chất là các dung dịch rắn, dung môi là các phân tử nước liên kết với nhaubằng liên kết hydro Các phân tủ’ hydrocacbon nhẹ (CH4, C2H6, C3Hg, C4H10) thâm nhập vào mạnglưới này tạo thành mạch tinh thể hydrat bền vững, chúng có thể bịt kín đường ống dẫn gây khókhăn cho việc vận chuyển và làm việc của bơm

Tại mỗi giá trị áp suất và nhiệt độ nhất định, khí thiên nhiên bão hòa hơi nước có khả năngtạo hydrat Khi nhiệt độ không thay đôi, sự tạo hydrat xảy ra ở áp suất càng lớn với hydrocacbon cótrọng lượng phân tử càng nhở Qúa trình hydrat hóa xảy ra khi áp suất riêng phần của hơi nướctrong hỗn hợp khí lớn hơn áp suất hơi bão hòa của hydrat Như vậy khi giảm hàm lượng ẩm trongkhí sao cho áp suất riêng phần của nước nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa của hydrat trong khí thiênnhiên

Trong hỗn hợp thành phần khí nếu có hàm ấm lớn, đặc biệt có CƠ2 và H20 trong thành phầnkhí nó sẽ gây ăn mòn đường ống và thiết bị Neu khi dùng khí làm nguyên liệu âm có thê ngưng tụtạo dòng hai pha khí - lỏng trong đường ống dẫn đến việc phát triển thành nút và xảy ra sự cố ở vòiđốt

Còn trong công nghiệp tống hợp hữu cơ hóa dầu, sự có mặt của CO2, H2O, H2S, làm ảnhhưởng xấu đến sản phấm Như trong nguyên liệu phản lực có chứa hơi nước làm giảm nhiệt trị,giảm công suất động cơ, trong dầu FO chứa H2S sẽ gây ăn mòn thiết bị

Vì vậy ngoài việc làm ngọt khí thì sấy khí trước khi đi chế biến tiếp hoặc đem sử dụng làmột công đoạn rất cần thiết trong công nghiệp chế biến khí

ĨI KHAI THÁC CHÉ BIỂN KHỈ Ớ VIẺT NAM VAI TRÒ CỦA KHÍ THIỂN NHIÊN TRONG

NỀN KINH TỂ QUỐC DẰN

1.Vai trò của khí thiên nhiên trong nền kỉnh tế quốc dân

Khí thiên nhiên và khí đồng hành là những nguyên liệu rất có giá trị đế sản xuất nhiên liệu

và nhiên liệu cho tổng hợp hóa dầu Các sản phẩm chính của quá trình chế biến đó là: xăng khí, khíhóa lỏng và các khí khô, các hydrocacbon (propan, izo-butan, n-butan, pentan) Chế biến khí tựnhiên và khí đồng hành được thực hiện ở các nhà máy đặt ngay tại xí nghiệp khai thác và chế biếnkhí tự nhiên và khí đồng hành

Với trình độ khoa hoc hiện nay, tù' nguyên liệu khí thiên nhiên và khí đồng hành, người ta

có thể sản xuất hơn 600 sản phẩm khác nhau như: rượu, andehit, xeton, NH3, chất dẻo, sợi hóa học,phân bón chất tẩy rửa tổng họp, chất nổ, dầu nhờn bôi máy, nhiên liệu cho động cơ đốt trong, cao

su tổng hợp

Metan là những thành phần chính trong khí tự nhiên Nó được sử dụng chủ yếu làm nhiênliệu cho lò và nồi hơi Etan, propan, butan và hydrocacbon nặng dùng chủ yếu cho công nghiệp tổnghọp hữu cơ Vì vậy ở các nước công nghiệp phát triển nguồn nguyên liệu này đóng một vai trò rấtquan trọng

ơ Mỹ từ những etan đã chế biến 40% etylen phục vụ cho sản xuất nhựa tống hợp, oxitetylen, các chất hoạt động bề mặt, nhiều sản phâm hóa học khác (hiện nay người ta đánh giá mức độphát triến công nghiệp tống hợp hữu cơ theo tống sản lượng và nhu cầu etylen)

Ớ các nước Tây Âu sau khi tìm ra các mỏ khí tăng cường phát triển nguyên liệu nhiệt phânnhẹ, mặt khác butadien và các sản phẩm phụ khác của quá trình nhiệt phân benzen cũng là cácnguyên liệu rất cần thiết

Thực tế nhiều nước trên thế giới đã cho thấy rằng với trừ lượng dầu và khí tự nhiên lớn, cóthế tố chức sản xuất ở quy mô lớn có lợi nhuận cao, các sản phẩm etan, khí hóa lỏng (LPG, LNG),các hydrocacbon khác và nhiên liệu động cơ

Khí tự’ nhiên và khí đồng hành không chỉ là nguyên liệu sản xuất etan, propan và hợp chấtkhác, khi làm sạch và chế biến khí người ta còn nhận được lượng lớn lưu huỳnh, He và một số sảnphẩm vô cơ khác cho nhiều ngành kinh tế quốc dân Mỹ đứng đầu về sản xuất He - một trong nhữngsản phẩm quan trọng trong công nghệ nghiên cứu vũ trụ, khí quyển, kỷ thuật thấm lạnh, sắc kí,

Canada đứng thứ hai về sản xuất các họp chất chứa lun huỳnh từ công nghiệp chế biến khíNgày nay nhu cầu sử dụng nhiên liệu khí rất lớn mà nguồn nguyên liệu này ngày càng khanhiếm vì vậy chúng ta phải khai thác và sử dụng một cách họp lý nhất Đây là vấn đề đang được thếgiới rất quan tâm

2. Khai thác và chế biến khí ở Vỉêt Nam

Ngành dầu khí ở VN đang phát triển rất mạnh, với trữ lượng khí lớn theo tính toán của công

miền Trung đã phát hiện thêm một số mỏ khí nhưng thành phần khí có lượng C02 quá cao (đến75%), vì vậy hàm lượng hydrocacbon không đáng kế nên không có giá trị kinh tế sử dụng như mộtnguồn hydrocacbon thiên nhiên

Trên thềm lục địa phía nam thành phần khí tạp chất (H2S và CO2) trong khí đồng hành ở các

mỏ Bạch Hố, Đại Hùng là khá thấp (0,4 + 4%) rất thuận lợi cho chế biến và sử dụng Các mở dầu

và khí lần lượt được phát hiện và đi vào khai thác: mỏ Bạch Hố (1986), khu vực khai thác số 1 của

mỏ Rồng, Đại Hùng (1994)

Mỏ Bungakekwa (7-1997), các khu vực số 2 của mỏ Rồng và các mỏ

Rubi,

Rạng Đông trữ lượng khoảng 30 50 triệu tấn, mỏ khí Lan Tây, Lan

Đở trữ lượng khoảng 58 tỷ m3 khí cũng lần lượt đi vào khai thác

Từ mỏ dầu Bạch Hổ, Rồng và Đại Hùng đã tiến hành thu gom khí đồng hành và đưa vào nhàmáy chế biến khí ở Dinh Cố(Bà Rịa - Vũng Tàu) Công suất khai thác khí đồng hành là 1 tỷ

m3/năm, công suất tối đa có thể đạt là 1,5 tỷ m3/năm Với trừ lượng 45 tỷ m3 có thể tiến hành khaithác trong 20 năm Tháng 10 - 1998 nhà máy chế biến khí đã đưa vào hoạt động hàng năm cung cấp300.000 tấn khí lỏng LPG chứa propan và butan, khí khô chủ yếu là metan và etan được dùng làmnguyên liệu cung cấp cho nhà máy điện Thủ Đức và khu công nghiệp Biên Hòa Ngoài ra còn táchcondensât đưa đi cracking điều chế xăng khí etylen phục vụ cho công nghiệp chế tạo nhựa tốnghợp, PVC và PE

Dự án khí Nam Côn Sơn cung cấp nguyên liệu cho cụm nhà máy điện và đạm Phú Mỹ Theotính toán đường ống khí Nam Côn Sơn dài 400 km bảo đảm khả năng vận chuyển 5 - 6 tỷ m3/năm

sẽ là cơ sở hạ tầng trọng yếu cho sự phát triến mạnh mẽ của ngành công nghiệp khí Việt Nam Hệthống đường ống sẽ bắt đầu đi từ mỏ Lan Tây và Tiếp bờ tại Long Hải, sau đó tiếp tục đi qua trạm

xử lý và phân phối khí Dinh cố Tại đây khí được vận chuyến đến trạm Phú Mỹ đế tiêu thụ và mộtphần được hóa lỏng đế xuất khấu từ cảng Phước Hòa Đường ống dẫn khí Nam Côn Sơn được sànxuất như một hệ thống khép kín đế vận chuyến khí từ mỏ mới phát hiện ở vùng trủng Nam Côn Sơnnhư Lan Tây, Lan Đỏ, Hải Thạch, Rồng Đôi

Tại lô 11-2 bao gồm mỏ Rồng Đôi và mỏ Rồng Đôi Tây trữ lượng khí tự nhiên có thể khaithác tổng cộng vào khoảng 25 tỷ m3 Khí tự nhiên và khí đồng hành ở Việt Nam rất sạch, chứa ítlưu huỳnh (0,02 g/m3) rất thuận lợi cho việc chế biến, sử dụng, an toàn với thiết bị và ít gây ô nhiễmmôi trường

Với tiềm năng lớn về khí, nước ta có điều kiện phát triến ngành công nghiệp dầu khí trêntoàn lãnh thổ Việc khai thác và sử dụng tài nguyên thiên nhiên quý giá này trong tương lai côngnghiệp dầu khí sẽ là ngành trọng tâm, đóng vai trò đáng kể vào sự phát triển của đất nước

ĨII GĨỚĨ THIÊU VÈ CHẮT HẢP PHU.

1.Giới thiêu chung

Những chất hấp phụ không xốp được điều chế bằng phương pháp kết tủa từ dung dịch hoặcbằng cách tán nhỏ, một vật rắn thường có bề mặt riêng bé(l-20m2/g) cho nên ứng dụng của chúng bịhạn chế Những chất hấp phụ không xốp cũng có thể có bề mặt lớn(hàng trăm m2/g), nếu chúng có

độ phân tán cao như muội than, muội si lie, điều chế bằng cách đốt cháy không hoàn toàn các họpchất hữu cơ Các bột mịn này thường được dùng làm chất độn trong vật liệu cao phân tử

Đe làm chất hấp phụ, chất sấy khô, chất mang hoặc chất xúc tác thông thường người ta sửdụng chất hấp phụ xốp có bề mặt trong lớn Nhừng chất hấp phụ có lỗ xốp bé thường là than(than

gồ, than xương, than xọ dừa)silicagel, alumogen, alumosilicagel, silicat tự nhiên,

Zeolit là các aluminosilicat tinh thê có kích thước mao quản(pore) rất đồng đều, cho phépchúng phân chia( rây )các phân tủ’ theo hình dáng và kích thước xác định

Thành phần hóa học của zeolit có thể được biếu diễn như sau: M2/n.Al203 xSi02.yH20 Trong đó : M - là cation hóa trị n (hay cation bù trừ điện tích

Sự thay thế Si4 bằng Al3+ trong các tứ diện S1O4 dẫn đến sự dư một điện tích âm ở[A104]'.Điện tích âm dư được cân bằng bởi sự có mặt của cation Mn+ gọi là cation bù trừ điện tíchkhung

Người ta thấy khoảng 40 cấu trúc zeolit tụ’ nhiên khác nhau.Trong khi đó sự phát triến củavật liệu này trong các lĩnh vực như :hấp thụ,phân tách,hấp phụ,

Quá trình xúc tác đem lại khả năng lớn nhờ các phương pháp tống hợp zeolit đang được thựchiện trong phòng thí nghiệm Hiện nay có khoảng 200 loại zeolit tống hợp, tuy nhiên mới chỉ mộtlượng nhỏ trong số đó được sử dụng trong công nghiệp.

Tính chất chính của các zeolit được thế hiện bởi cấu trúc và hình thái của chúng, tức là: sựxắp xếp trật tự của các tú' diện, phần thể tích rỗng, sự tồn tại các mao quản Ngoài ra tính chất củacác zeolit còn phụ thuộc vào tỷ lệ Si/Al (hoặc S1O2/AI2O3) và cation bù (K", Na )

Theo quy luật Lowenstein chỉ ra rằng, trong cấu trúc zeolit không tồn tại liên kết dạng

Al-Si-Al mà chỉ có dạng liên kết Si-O-Si và Si-O-Al-Si-Al tỷ lệ Si/Al-Si-Al trong khung cấu trúc > 1

2.Khái niêm về hấp phu

Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha(khí - rắn; khí - lỏng; lỏng - lỏng),chất có bề mặt trên đó xảy ra sự hấp phụ gọi là chất hấp phụ, còn chất được tích lũy trên bề mặt gọi

là chất bị hấp phụ

Trong một số trường họp chất bị hấp phụ có thể xuyên qua lóp bề mặt và đi vào thế tích chấthấp phụ Hiện tượng đó gọi là sự hấp thụ, ngược lại với hấp thụ quá trình đi ra của chất bị hấp phụkhỏi bề mặt được gọi là sự giải hấp phụ

Khi sự hấp phụ đạt đến trạng thái cân bằng thì tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp phụCác chỉ tiêu của chất hấp phụ zeolit:

ZeolitA là aluminosilicat loại zeolit tống hợp có cấu tạo khác với zeolit tự nhiên, cấu trúccủa nó có dạng mạng lưới lập phương đơn giản tương tự như kiếu liên kết trong tinh thế muốiNaCl, với các nút mạng lưới là các bát diện cụt

Đối với zeolitA tỷ số Si/Al = 1 nên số nguyên tử Si và AI trong mỗi một đơn vị sodalit bằngnhau.Vì vậy với mỗi bát diện cụt được tạo bởi 24 tú’ diện có 48 nguyên tử o làm cầu nối, vậy còn

dư 12 điện tích âm Đe trung hòa hết các điện tích âm này phải có 12 cation hóa trị I, ví dụ như Nahoặc cation hóa trị ĩĩ (ví dụ Ca2+) Trong trường hợp zeolitA thì có 12 cation Na+ nên công thứcchung của zeolitA là: Nai2[(A102)i2-(Si02)i2]

Công thức hoàn chỉnh của một zeolitA là: Na96Al96SÌ960384.27H20 Trong quá trình liên kết giừa các sodalitA tạo thành các hốc lớn và các hốc nhỏ, hốc lớn được coi là phần thể tích giới hạn giữa 3 sodalit trong một ô mạng còn hốc nhỏ là không gian rỗng trong sodalit Hốc lớn của zeolitA gọi là hoc a

Có thế coi là dạng hình cầu có đường kính hốc là 11,4A°, đường kính hốc nhỏ (còn gọi làhốc P) khoảng 6,6A°, mỗi hốc lớn của zeolitA thông với 6 hốc lớn bên cạnh qua các cửa số 8 cạnh(gọi là cửa số hốc lớn) có kích thước 4,2A° ngoài ra hốc lớn còn thông với 8 hốc nhỏ qua các cửa

sổ 6 cạnh với kích thước cửa số nhở là 2,2A°

Thể tích mỗi hốc lớn là 150(A°)3 và cửa sổ hốc nhỏ là 77(A0)3 Do sự thông giữa các hốc a và

p tạo thành các kênh nối Việc tạo thành kênh làm tăng thế tích tự do của zeolit khoảng 50% củatống thế tích chung Do vậy độ xốp của zeolitA rất cao nên có thế hấp thụ được các chất có đườngkính phân tử hoặc ion nhỏ hơn đường kính cửa số đế vào các hốc của zeolit Đây chính là hiệntượng rây phân tử của zeolit

IV Cơ SỚ HỎA LÝ

IV. l Khái niêm chung về sấy

Tách nước (ẩm) ra khỏi vật liệu rắn hay dung dịch là một quá trình kỹ thuật rất phổ biến vàquan trọng đối với nhiều ngành công nghiệp đặc biệt là các ngành công nghiệp hóa chất và thựcphẩm Tùy theo yêu cầu và mức độ làm khô vật liệu mà người ta tiến hành các phương pháp tách

ẩm ra khỏi vật liệu theo các cách sau:

•- Phương pháp cơ học: Là dùng máy ép, máy lọc, máy ly tâm để tách nước, phương pháp

này được dùng khi không cần tách triệt đế mà chỉ cần tách sơ bộ một lượng nước ra khỏi vật liệu

•- Phương pháp hóa lý: Là dùng một hóa chất có tính hút nước cao đê tách âm ra khởi vật

liệu như: CaCb khan, H2SO4 đậm đặc, silycagel phương pháp này có thể tách được tương đốitriệt để ẩm ra khỏi vật liệu, nhưng đắt và phức tạp nên phương pháp này chủ yếu đế hút âm trongmột hồn hop khí để báo quản máy và thiết bị

•- Phương pháp nhiệt: Dùng nhiệt năng làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu là phương pháp

được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp và trong đời sống

Sấy là quá trình dùng nhiệt năng đế làm bay hơi nước ra khỏi vật liệu sấy Quá trình này cóthế tiến hành bay hơi tự nhiên bằng năng lượng tự nhiên như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió (gọi là quá trình phơi sấy tự’ nhiên) Dùng phương pháp này thì đỡ tốn nhiệt năng, nhưng khôngchủ động điều chỉnh được tốc độ của quá trình theo yêu cầu kỹ thuật, năng suất thấp bởi vậy,trong các ngành công nghiệp người ta thường tiến hành quá trình sấy nhân tạo(dùng năng lượng docon người tạo ra) Tùy theo phương pháp truyền nhiệt, trong kỹ thuật sấy người ta chia ra:

lò (gọi là tác nhân sấy)

sấy, mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp qua một vách ngăn

nguồn nhiệt phát ra truyền cho vật liệu sấy

đốt nóng trên toàn bộ bề dày của lớp vật liệu

nên ấm tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi từ trạng thái rắn thành hơi không qua trạng tháilỏng

Ba phương pháp sấy c,d,e ít được sử dụng trong công nghiệp, nên gọi là các phương pháp sấyđặc biệt

Quá trình sấy là quá trình chuyển khối có sự tham gia của pha rắn rất phức tạp vì nó bao gồm

cả quá trình khuyếch tán bên trong vật liệu rắn, bên ngoài vật liệu rắn đồng thời với quá trình truyềnnhiệt Đây là một quá trình nối tiếp, tốc độ của toàn bộ quá trình được quyết định bởi giai đoạn nàochậm nhất Ngoài ra, tùy theo phương pháp sấy đã nêu ở trên mà nhiệt độ là yếu tố thúc đẩy hoặccản trở quá trình di chuyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt vật liệu sấy

Trong các quá trình sấy thì môi trường không khí ẩm xung quang có ảnh hưởng rất lớn và trực tiếp đến tốc độ của quá trình sấy.Bởi vậy chúng ta phải nghiên cứu các tính chất và các thông

số của khí ẩm IV.2 Hàm ấm cua khí

Khí tự nhiên và khí đồng hành khai thác từ các mỏ dưới lòng đất luôn bão hòa hơi nước.Hàm lượng hơi nước chứa trong hỗn hợp khí phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và thành phần khí, tạimỗi giá trị áp suất nhiệt độ có thể xác định được hàm lượng ẩm tối đa của khí Hàm ẩm tương ứngvới trạng thái khí bão hòa hơi nước được gọi là hàm ấm cân bằng hay còn gọi là độ ẩm cân bằng

Đe biếu diễn hàm lượng hơi nước có trong khí, người ta sử dụng 2 khái niệm: độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối

+ Độ âm tuyệt đối: Là lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích hoặc một đơn vị khối khí

có thể có trong khí ở điều kiện bão hòa (biểu diễn theo phần trăm hoặc phần đơn vị) Neu giảmnhiệt độ bão hòa hơi nước còn áp suất thay đổi, thì một phần hơi nước ngưng tụ, nhiệt độ tại đó hơinước có trong khí bắt đầu ngưng tụ được gọi là điểm sương của khí ẩm tại áp suất đã cho

Hàm âm của khí phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ của hệ và thành phần hỗn họp khí Có nhiềuphương pháp xác định hàm ẩm của khí, trong đó các phương pháp sau phố biến:

+ Sử dụng áp suất riêng phần và thành phần lỏng hơi + Sử dụng các đường cong thực nghiệm phụ thuộc của hàm âm vào nhiệt độ và áp suất

+ Hiệu chỉnh các đường cong trên khi có mặt của: H2S, co?, N2 + Sử dụng phương trình trạng thái P-V-T

IV. 3 Các thông số CO’ bán của khí ẩm

1.Đô âm tuvêt đôi của khí âm

Độ ẩm tuyệt đối của khí ẩm là lượng hơi nước chứa trong lm3 không khí ấm, về trị số thìbằng khối lượng riêng của hơi nước ở trong hỗn hợp khí ẩm ký hiệu là (ph, thứ nguyên là kg/m3

2.Đô âm tương đôi của khỉ âm

Độ âm tương đôi của khí âm hay còn gọi là mức độ bão hòa hơi nước là tỷ số của lượng hơinước chứa trong lm3 khí, với lượng hơi nước chứa trong 1 m3 khí ẩm đó đã bão hòa hơi nước ởcùng nhiệt độ và áp suất, ký hiệu là cp, đơn vị là %

3.Hàm âm của khí âm

Hàm âm của khí âm là lượng hơi nước chứa trong lkg khí khô (kk), ký hiệu là x; kg/kgkk( kgấm/kg khí khô )

x= Al

Pbh

Theo phương trình trạng thái khí lý tưởng ta có:

X — ■ _Ịjk_ = ]ji_ ^kk

15

R*T R„ p kk pkk: Áp suất riêng phần của khí khô Rkk:

Hằng số khí lý tưởng của khí khô

ĩ*- = 0,622

R.

Theo định luật Đan tong, ta có: Pkk= p - Ph (P: Áp suất chung của

hôn họp khí) mà cp = — hay Ph = (pPbh

Pbh

Thay các giá trị Ph, Pkk vào biểu thức X, ta có:

„ , l ( kg/kgkk ) p

-ppbh

4.Nhiêt ỉuơns riêng của khí âm

Nhiệt lượng của khí ẩm chính là tổng nhiệt lượng của khí khô và của hơi nước trong hỗn họp :

I = Ckkt + xih J/kgkk Ớ đây : + I: là nhiệt lượng riêng của khí ẩm trong đó chứa 1 kg khí

: nhiệt lượ riêng của hơi nước ở 0°c

Ch = 1,97.1 o3 J/kg °c là nhiệt lượng riêng của khí

khô c kk = 1000 J/kg °c là nhiệt dung riêng của khí khô Thay

tất cả giá trị này vào biếu thức : I = Cỵỵt + x.ih ta có I =

ìooot + (2493 + l,97.t).10 3 x ; J/kgkk

Hay I = (1000 + l,97.103.x).t + 2493.103.x Trong biểu thức trên có : (1000 + l,97.103.x) = ckk + ch.x là nhiệt dung riêng của khí ấm khi hàm âm là : X

độ điểm sương, ký hiệu là ts Vậy điếm sương là giới hạn của quá trìnhlàm lạnh khí trong điều kiện hàm ẩm X = const

Theo phương trình X = 0,622 Pbh— rút ra được: Pbh = ——v—

p-p bh ■ 0,622 +

*Biết được giá trị áp suất bão hòa Pbh (tương ứng với áp suất ởtrạng thái điếm sương) ta tra bảng “ áp suất hơi bão hòa phụ thuộc nhiệt

độ “ sẽ tìm được nhiệt độ của nước, nhiệt độ này chính là nhiệt độ điếmsương

Khối lượng riêng của hỗn họp khí âm bằng tống khối lượng riêngcủa khí khô và khối lượng riêng của hơi nước ở cùng nhiệt độ (p =

(Pkk và cph là khối lượng riêng của khí khô và của hơi nước ; kg/

m3 (po: khối lượng riêng của khí ở điều kiện tiêu chuẩn ; kg/m3 p :

áp suất chung của hỗn hợp khí âm

T0,T : nhiệt độ của khí ở điều kiện tiêu chuấn và điều kiên làmviệc

V

sư TAO THẢNH HYDRAT

v.l .Câu trúc tinh thê hvdrat.

23

Hình.2: ô mạng cơ sở của tinh thể hydrat Nước có tronghỗn họp khí luôn tạo thành hydrat với các cấu tủ’ trong thành phần hỗnhợp khí Các hydrat này có cấu trúc tinh thể và bán chất là các dung dịchrắn còn dung môi là các phân tử nước liên kết với nhau bằng liên kếthydro.Các phân tử hydrocacbon nhẹ (metan, etan, propan, butan) thâm

nhập vào mạng lưới này tạo thành mạng hydrat bền vừng, về cấu trúc

tinh thế hydrat có hai loại ô mạng cơ sở như mô tả hình 1

Các chấm tròn chỉ các phân tử nước, các đoạnthắng chỉ liên kếthydro.Bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen đã cho thấy cấu trúc tinhthế hydrat có dạng 12 mặt mỗi mặt là 5 cạnh, cấu trúc này có thế biếnthành các dạng 14 mặt và 16 mặt

Dạng cấu trúc 1(14 hedro) có hằng số mạng là 12 A°,chứa 46phân tử nước sắp xếp thành hình 8 lỗ trống , trong đó có 2 lỗ trống ởdạng 12 mặt, 6 lỗ trống còn lại có dạng 14 mặt Các phân tử metan cóthế chui vào bất kỳ lồ trống nào, trong khi các phân tủ’ etan chỉ có thêchui vào các lỗ trống lớn Nhưng cũng có một vài ô mạng không bị cácphân tử hydrocacbon chui vào chiếm chỗ, do các phân tử này có địnhhướng không

phù hợp Các hydrocacbon có cấu trúc phân tử cồng kềnh hơnnhư propan và butan không thể chui vào các lỗ trống thuộc loại cấu trúc

I này

Dạng ô mạng tinh thế thứ hai, cấu trúc II, 16 mặt, có hằng sốmạng là 17A°.Ô mạng cơ sở chửa 136 phân tử nước Với cấu trúc 16 lỗtrống nhỏ dạng 12 mặt và 8 lỗ trống lớn dạng 12 mặt (có 4 mặt 6 cạnh và

12 mặt 5 cạnh) Dạng cấu trúc ĩĩ này có thể bẫy được các phân tử lớnnhư propan, n- butan, izo-butan

Ngoài yếu tố kích thước phân tử, yếu tố thứ hai có ảnh hưởng đền

sự hình thành hydrat là tính hòa tan trong nước của các hydrocacbon Sự

có mặt của các tạp chất như: H2S, CƠ2, N2 có ảnh hưởng đáng kế đến

sự hình thành hydrat

Xét sự hình thành hydrat của CH4, C3H8 và H2S, ở một nhiệt

độ đã cho, hydrat metan tinh thể được hình thành ở áp suất lớn hơn sovới hydrat propan mặc dù độ hòa tan trong nước của metan lớn hơnpropan, nhưng có các phân tử metan có độ linh động lớn hơn, chuyểnđộng tự do, vì vậy khí bị bẫy bởi các ô mạng hydrat Tương tự như vậy,các phân tủ’ H2S có độ tan trong nước kém hơn metan nhưng tạo thànhmột loại cấu trúc hydrat dễ dàng hơn

Sự tạo thành hydrat còn phụ thuộc các dạng năng lượng như : lựchút, lực đấy, lực quay, lực liên kết ở trạng thái cân bằng Khi một tinhthể hydrat được hình thành thì cấu trúc liên kết hydro sẽ không bị phá vỡcho đến khi mất cân bằng lực liên kết hydro bị giảm đi và liên kết bị bẻgẫy

Người ta xác định được một số hydrat điển hình : CH4.5,9H20;

Các tinh thê hydrat riêng biệt tạo thành trong nước ở trạng thái

nhỏ, nhưng chúng có phát triến lên thành những tinh thế lớn hơn

V. 2 Cản bằng Quá trình tao hydrat

Trên hình.2 là các đường cong đặc trưng cho quá trình tạo hydratcủa các cấu tử trong khí tự nhiên, cho biết điều kiện hình thành hydrat:miên phía dưới và miền bên phải các đường này không tạo thành hydrat

Ở giá trị nhiệt độ đó được gọi là cực đại của quá trình tạo hydrat của cấu

tử đó Hình.3 mô tả các đặc tính của hệ propan-nước Ở t° < O0C ( 32°F)tồn tại cả hai dạng nước đá và hydrat ở phía trên đường cong cân bằng,còn ở phía dưới chỉ có nước đá và hơi

Ớ t° > 0°c (32°F) hydrat ở pha rắn chỉ có bên trái đường cân bằng

tạo hydrat Nhiệt độ tại ranh giới giữa hai miền là nhiệt độ cực đại tạohydrat của cấu tủ' tinh khiết (trong trường hợp này là propan )

Hình:3 Điêu kiện tạo hydrat của các câu tử trong khỉ tự

Nhiẽt đò °c 10 15 20

1-Butan •ó < ft-Butan I

30 to 50 60 70

Nhiệt đỏ, °F

nhiên

Hình 4: Điêu kiện tạo hydrcit của propan

Nhằm ngăn ngừa sự hình thành các hydrat người ta sử dụng rộng rãiphương pháp ức chế tức là phương pháp đưa vào dòng khí các chất khácnhau (gọi là các chất ức chế) làm hạ nhiệt độ tạo thành hydrat như metanol,glucol, và phương pháp sấy khô (tách nước) khí dựa trên cơ sở tách hơinước ra khỏi khí bằng các chất hấp thụ lỏng hoặc rắn

Thực chất của phương pháp này là ở chỗ chất ức chế đưa vào dòngkhí ấm sẽ tan trong nước tự do, kết quả làm giảm áp suất hơi nước và hạnhiệt độ tạo thành hydrat Sự hạ nhiệt độ tạo thành hydrat do ức chế có thểxác định theo phương trình Hamershmidt:

At =

0,556——^ M(100-<y)

Trong đó : At : Độ hạ nhiệt độ tạo thành hydrat ở áp suất đã cho, °c Cữ :

Phần khối lượng của chất ức chế , %

K = 4000).Hiện nay các chất ức chế ngăn ngừa sự tạo thành hydrat thông dụngnhất là metanol và glycol Metanol có áp suất hơi bão hòa cao, do vậy khótách nó ra khởi dòng khí, việc tái sinh nó rất phức tạp nên sự tiêu hao chất

ức chế này tương đối lớn Metanol chủ yếu được sử dụng trong các hệthống vận chuyến (ở các giếng khoan, đường ống dẫn khí), nhằm phá vờcác hydrat tạo thành Ngoài ra metanol còn được dùng trong quá trình phân

ly nhiệt độ thấp (PNT) đế ngăn ngừa sự tạo thành hydrat trong khi làm sạchkhí nhằm tách bở các hydrocacbon nặng và hơi nước Trong một vài nhàmáy người ta thu được những kinh nghiệm giá trị trong việc tái sử dụngnhiều lần metanol giảm độ tiêu hao metanol xuống tối thiểu bằng cácphương pháp thu hồi hoàn toàn metanol từ dung dịch nước, tách metanoltrên thiết bị sấy hấp thụ hoặc làm sạch khí bằng zeolit-NaA

Các loại glycol cũng rất thông dụng trong việc chống hydrat hóamặc dù giá thành của chúng cao hơn so với metanol Đó là do glycol có ápsuất hơi bão hòa rất thấp và có khả năng thu hồi rất cao bằng phương phápvật lý đơn giản là cô đặc các dung dịch nước chứa glycol

Khi sử dụng các chất ức chế đòi hỏi có sự phân bố đồng đều và tạođược bề mặt tiếp xúc nhất giữa chúng với hơi nước Do vậy thường các chất

ức chế được đưa vào dòng khí theo cách phun và các thiết bị phun được lắpráp trong ống dẫn ngay ở đầu vào của khí hoặc trục tiếp trong các thiết bị.Neu các chất ức chế là glycol thì dung dịch của chúng theo nguyên tắc sẽđược đưa vào lưới ống của thiết bị trao đối nhiệt dưới dạng sương phun.Điều này tạo được sự phân bố đồng nhất giừa các khoảng không giữa ống

Vĩ CẮC PHƯƠNG PHÁP SẮY KHỎ KHÍ.

Khí được sấy khô với mục đích tách nước và tạo ra cho khí nhiệt độđiếm sương theo nước thấp hơn so với nhiệt độ cực tiếu mà tại đó khí đượcvận chuyển hay chế biến Trong công nghiệp các phương pháp sấy khô khísau đây thường được sử dụng hấp thụ bằng các chất lỏng hút ẩm, hấp phụhơi ẩm bằng các tác nhân sấy rắn hoạt tính ngưng tụ ẩm do nhò' sự nénhoặc làm lạnh khí

I.Phương pháp hấp thu:

Phương pháp hấp thụ được sử dụng rộng rãi đế sấy khô khí tại cáccông trình ống dẫn khí cũng như trong các nhà máy chế biến khí Chất hấpthụ sấy khô là nhừng dung dịch nước đậm đặc của mono, di và tri-etylenglycol Dưới đây trình bày ưu điểm và nhược điểm của tùng loại chất

hấp thụ-sấy khô

Ưu điếm: Độ hút âm cao, khá bền khi có mặt các hợp chất lưuhuỳnh, oxy và C02 ở nhiệt độ thường, dung dịch đậm đặc không bị đôngđặc

Nhược điếm: Tiêu hao do thất thoát cao hơn so với TEG Khi tái sinhrất khó thu được dung dịch nồng độ DEG lớn hơn 95% Điểm sương thấphơn so với khi sử dụng TEG giá thành cao

Ưu điếm: Độ hút ấm cao, tạo được điếm sương cho khí sấy cao (27,8-*■ 47,3°C) độ bền cao khi có mặt các hợp chất lưu huỳnh, oxy và CƠ2 ởnhiệt độ thường, khí tái sinh dễ thu được dung dịch nồng độ trên 99%.Dung dịch nồng độ cao không bị đông đặc Độ bay hơi của TEG thấp hơnDEG

Nhược điểm: Đòi hỏi chi phí đầu tư cao, dung dịch TEG có khả năng

tạo màng khi có mặt các chất lỏng hydrocacbon nhẹ, độ hòa tan củahydrocacbon trong TEG cao hơn so với DEG

ưu điểm: Chat hap thụ này có the tách nước, H2S, C02 ra khỏi khí tức là đồng thời vừa sấy khô vừa làm sạch khí khả năng tạo màng rất thấp Nhược điểm: Độ thất thoát lớn hơn so với khi sử dụng TEG, chỉ sử dụng đế sấy khô và làm sạch các khí có tính acid Dễ gây ăn mòn kim loại ở nhiệt độtái sinh, điểm sương của khí thấp

Sự sấy khô khí bằng các chất hấp thụ này dựa trên sự khác biệt về ápsuất riêng của hơi nước trong khí và trong chất hấp thụ Giá trị của điếmsương của khí, về nguyên tắc được đảm bảo bằng dung dịch của các glucol,

sẽ tìm thấy trong các đồ thị trên hình 5, hình 6 và hình 7

Ở trong các thiết bị công nghiệp, sự sấy khô khí đến điểm sương cânbằng là không thế thực hiện được vì khí chỉ tiếp xúc với glucol có nồng độtính toán ở mâm trên cùng, còn các mâm dưới nồng độ các glycol sẽ giảm

đi do sự hấp thụ nước Do đó trong các thiết bị công nghiệp điếm sươngthực tế của khí sấy sẽ cao hơn tù' 5^1 l°c so với điểm sương cân bằng.Thông thường sự sấy khí của glucol được thực hiện đến điểm sương khôngthấp hơn -25 đến -30 Muốn sấy triệt để hơn thì cần dung dịch glucol đậm

Hìnhó: Điểm sương cân bang của khỉ trên dung dịch TEG với nông độ khác nhau các chữ số trên đồ thị tương ứng với hàm lượng

Nhiột độ tiếp xúc , V

TEG (% khôi lượng) trong dung dịch.

Lượng ẩm có thể tách ra từ khí bằng các chất hấp thụ - sấy khô đượcxác định bằng khả năng hút ẩm của chất hấp thụ, nhiệt độ và áp suất, sự tiếpxúc giữa khí với chất hấp thụ, khối lượng chất tuần hoàn trong hệ và độnhớt của nó

Trên hình 7 trình bày sơ đồ nguyên lý công nghệ sấy khô khí bằngphương pháp hấp thụ Khí ẩm được đưa vào phần dưới của thiết bị hấp thụ

1, còn glycol đậm đặc thì đưa vào mâm trên của thiết bị này Khí sấy khô sẽđưa vào mâm trên của thiết bị này Khí khô sẽ đi ra từ phía trên của thiết bị,còn glucol đã hấp thụ nước thì đi ra từ phía dưới Khí khô sau đó đưa đi sửdụng còn glucol tiếp tục được đun trong thiết bị trao đối nhiệt 2 và đi vào

hệ thống thổi khí 3, tại đây sẽ tách phần hydrocacbon đã bị hấp thụ Tiếptheo glucol được đun nóng trong thiết bị trao đối nhiệt 4 và thiết bị giải hấpthụ 5 Từ phía trên của thiết bị 5 sẽ lấy ra hơi nước, phần còn lại ở phíadưới chính là glucol tái sinh được làm nguội trong thiết bị trao đối nhiệt 4, 2

và tái sinh hàn 7 đi vào bồn chứa 8, từ đây bằng bơm 9 sẽ đưa vào thiết bịhấp thụ 1 (bồn chứa 8 sẽ được bổ xung một lượng glycol mới khi cần thiết)

Hình 7: Sơ đô nguyên tăc công nghệ sây khô khỉ băng

QÌUCOÌ 1-thiết bị hấp thụ; 2,4 - thiết bị trao đôi nhiệt; 3 - thiết bị thôi khỉ; 5 — thiết bị giải hâp thụ; 6 — thiết bị tải sinh hơi; 8 - bôn chứa

DEG; 9 - bơm; I - khí am; II - khí đã sây khô; III - khỉ thôi ra; IV - hơi nước đi vào khỉ quyên; V - DEG bô xung; VI - DEG tải sinh.

Nhiệt độ giới hạn trên của quá trình sấy hấp thụ khí được xác địnhbằng sự tiêu hao cho phép của glycol do bay hơi và trong thực tế nhiệt

độ này vào khoảng 38°c Còn giới hạn dưới phụ thuộc vào sự giảm khảnăng hút ẩm của chất hấp thụ gây ra bởi sự tăng độ nhơt của glucol.Nhiệt độ cực tiểu tiếp xúc với glucol vào khoảng 10°c

Ảnh hưởng của sự tiêu hao và nồng độ tác nhân sấy đến độ giảmđiểm sương của khí khi sử dụng TEG được thể hiện trên hình 7 Nhậnthấy, khi hàm lượng nước trong chất hấp thụ tăng thì ảnh hưởng của sựtiêu hao TEG đến độ hạ điểm sương sẽ giảm Ảnh hưởng của sự tiêu haoTEG đên

mức độ sấy khí giảm khi đạt đến giá trị nhất định nào đó Phần lớn cácthiết bị sấy khí bằng TEG hoạt động với thông số 10-^35 lít dung dịchcho 1 kg nước lấy ra được từ khí ấm

đến độ hạ điếm sương At của khí Các chữ sổ trên đường cong tương ứng với hàm lượng TEG trong dung dịch (% khối lượng).

Nồng độ glycol là yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất đếnđiếm sương

của

khí từ hình 8 có thể thấy khi tăng nồng độ glucolthì độ hạ điểmsương sẽ

mạnh hơn so với tăng tiêu hao tác nhân sấy

Nồng độ glucol trong chất hấp thụ được xác định bằng nhiệt độ

tái sinh nó Ở nhiệt độ 164,4°c DEG bị phân hủy một phần, còn ở

206,7°c TEG cũng phân hủy Neu tái sinh glucol ở áp suất khí quyến thìthực tế sẽ không thu được dung dịch có nồng độ lớn hơn 97 -ỉ- 98 %khối lượng, vì nhiệt độ ở phía dưới thiết bị giải hấp lớn hơn các nhiệt độnêu trên nên chúng sẽ bị phân hủy Do vậy glucol thường được tái sinhtrong chân không

Đe thu đựoc glycol với nồng độ hơn 99% khối lượng, ngoàiphương pháp tái sinh chân khôngcòn sẻ dụng rộng rãi phương pháp thốikhí (stripping gas) cho phép tăng nồng độ DEG và TEG đến 99,5

99,9%.Khí

Từ hình vẽ có thế thấy, nếu đưa khí thối trục tiếp vào phía dưới của thiết

bị hấp thụ sẽ đạt hiệu quả tốt hơn Lượng khí thối tiêu hao được xác địnhtheo phương trình Cremser rất thông dụng trong tính toán các quá trìnhhấp thụ và giải hấp

u I

•2^ '«5 ỊỊf(,

co lĩ

c 2

TEG 1 - khi đưa khí thối vào thiết bị sinh hơi; 2 - khi đưa vào thiết bị

giải hấp thụ glycol nồng độ cao còn có thể điều chế bằng cách sử dụngphương pháp tái sinh đắng phí (trong trường hợp này nhiệt độ sẽ thấphơn) Các tác nhân đang phí sẽ kết hợp với nước tạo thành hỗn hợp đẳngphí Điểm sôi của tác nhân đắng phí cần phải thấp hơn nhiệt độ phân hủytác nhân sấy đối với trường hợp DEG và TEG nên sử dụng benzen,toluen hoặc xylene

Công ty Pritchard đã thiết kế và áp dụng quy trình sấy khí mộtgiai đoạn và hai giai đoạn sử dụng rất hiệu quả dung dịch glycol vànước Trên hình 10 biểu diễn một trong hai loại quá trình này Đặc điểm

của nó là có hai ngăn trong thiết bị hấp thụ phía trên và phía dưới, về cấu

tạo thì các ngăn này giống nhau, nhưng ở mâm trên của ngăn phía trên(thường là