Bài giảng công nghệ khí (ths hoàng trọng quang) chương 2

Trang 1

Bài giảng

CÔNG NGHỆ KHÍ

Chương 2:

TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ NGUYÊN LÝ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA KHÍ THIÊN NHIÊN

GVGD: ThS Hoàng Trọng Quang GVTG: ThS Hà Quốc Việt

Trang 3

Ở đây trình bày các tương quan được phát triển

từ những thí nghiệm khác nhau.

3

Trường Đại học Bách khoa Tp HCM

Trang 5

 Không khí: M = 28,97 lbm/lb-mol = 28,97 kg/kmol

 Ethane: M = 30,07 lbm/lb-mol = 30,07 kg/kmol

 Oxygen: M = 32 lbm/lb-mol = 32 kg/kmol

5

Trang 6

(SCF- Standard Cubic Feet, ft3)

Một lượng khí ròng có thể được biểu diễn theo:

ft3 (ở một nhiệt độ và áp suất nhất định)

Số mole,

Số pound hay số phân tử

SCF 4

379 7

14

520 73

10 1 P

T R n

,

, '.

Trang 7

lb 64 16 560

73 10

1000 100

T R

PV

,

.



lbm 4 500 07

30 64 16 M

n

m   ,  ,  ,

lb 4 500 07

30 64 16 M

n

G   ,  ,  ,

26

26 45 5 10 10

733 2

n ( , )  ,



SCF 6316

SCF ,

n

Trang 8

Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí

KHỐI LƯỢNG RIÊNG & TỶ TRỌNG

1 Khối lượng riêng

V

M T ' R PV V

M n

lượng Khối

phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ

air

g g

T R

97 28 p

T R

pM

g

, '

,

Trang 9

KHỐI LƯỢNG RIÊNG CỦA KHÍ TRONG VỈA

 Số mole khí chứa trong V = 1 ft3 của vỉa:

 Khối lượng mol của 1 mol khí: M = 28,97g

 Khối lượng riêng của khí trong vỉa:

• Ví dụ 3: Hãy tính khối lượng của khí trong vỉa biết g = 0,665, z = 0,91 ở p = 3250 psia và T = 213 F

• Giải:

TzR

pT

zR

pVn

'



T zR

p 97

lbm

)

( ,

,

460 213

73 10 91 0

3250 665

0 97 28

Trang 10

TÍNH CHẤT GIẢ TỚI HẠN

Nhiệt độ tới hạn Tc là nhiệt độ mà trên nó, trạng thái khí không

thể chuyển thành trạng thái lỏng dù có tăng áp suất.

Ví dụ: nước ở 374 C, CO2 ở 31,1 C …

Áp suất tới hạn pc là áp suất cần phải đạt được để chất khí

ngưng tụ thành lỏng ở nhiệt độ tới hạn.

Tương tự như khối lượng mole biểu kiến, những tính chất tới

hạn của khí có thể được xác định dựa trên tính chất tới hạn của

từng thành phần trong khí Những tính chất như thế gọi là tính

chất giả tới hạn.

Áp suất giả tới hạn (ppc):

Nhiệt độ giả tới hạn (ppc)

pci và Tci là áp suất và nhiệt độ tới hạn của thành phần

10

Trang 11

Ví dụ 4: Xác định khối lượng mol biểu kiến; áp suất và

nhiệt độ giả tới hạn; tỷ trọng của hỗn hợp khí thiên nhiênsau:

11

Trang 13

Nếu chỉ biết tỷ trọng của khí mà không biết các thành phần thì áp suất và nhiệt độ giả tới hạn có thể xác định từ

đồ thị hoặc các tương quan dựa trên đồ thị

Một tương quan đơn giản:

Được sử dụng với điều kiện: H2S < 3%, N2 < 5% và tổng thành phần ngoại lai nhỏ hơn 7%

13

Trang 14

Đối với khí chua thì thường kết hợp phương pháp đồ thị

và tương quan

Phương pháp Wichert-Aziz (1972)

Áp suất hiệu chỉnh Nhiệt độ hiệu chỉnh

Trang 15

Ứng dụng áp suất và nhiệt độ giả tới hạn để tính

Áp suất giả giảm (pseudoreduced pressure): ppr

Nhiệt độ giả giảm (pseudoreduced temperature): Tpr

Dựa trên hai thông số:

Tra đồ thị Standing & Katz những đại lượng cần tìm

15

Trang 17

PHƯƠNG PHÁP 1: ĐO THỂ TÍCH MẪU KHÍ

Đo thể tích mẫu khí ở nhiệt độ và áp suất cần tính hệ số lệch khí rồi đo thể tích mẫu khí đó ở nhiệt độ và áp suất sao cho có hệ số lệch khí  1



Ví dụ 5: Một mẫu khí có Va1 = 364,6 ft3 ở 213 F và 3250psia, Va2 = 70860 ft3 ở 82 F và 14,8 psia (z2  1) Tính hệ

số lệch khí?

Giải:

2 a 2

2 1

1 a 1 2

1 2

2 a2

1

1 1

a1 1

V p

T T

V p z

z n.R.T

z .V p

.n.R.T z

.V

91

0 70860

8 14

82 460

213 460

6 364 3250

,

Trang 18

PHƯƠNG PHÁP 2: ƯỚC TÍNH Z TỪ TỶ TRỌNG  g CỦA CHẤT KHÍ

Phương pháp của Sutton:

1 Tính áp suất và nhiệt độ giả tới hạn theo (1) và (2)

2 Tính áp suất và nhiệt độ giả giảm theo (3) và (4)

3 Tra z nhờ đồ thị của Standing & Beggs (H.1.2).

Áp suất giả tới hạn:

ppc = 756,8 - 131,0g - 3,6g2 (0,57 < g < 1,68) (1)

Nhiệt độ giả tới hạn:

Tpc = 169,2 + 349,5g - 74g2 (0,57 < g < 1,68) (2)

Nhiệt độ giả giảm: Tpr = T/Tpc (4)

Dùng đồ thị của Standing & Katz (ppr, Tpr, z)  z.

18

Trang 19

 Nhiệt độ tới hạn là nhiệt độ mà

trên nó, trạng thái khí không thể

chuyển thành trạng thái lỏng dù

có tăng áp suất Ví dụ : nước ở

374  C, CO 2 ở 31,1  C …

 Áp suất tới hạn là á p suất cần

phải đạt được để chất khí ngưng

tụ thành lỏng ở nhiệt độ tới hạn

PHƯƠNG PHÁP 2: ƯỚC TÍNH Z TỪ TỶ TRỌNG g CỦA CHẤT KHÍ

19

HÌNH 1

Trang 20

Ví dụ 6: Chất khí trong vỉa có g = 0,665, p = 3250 psia, T = 213 F Tính z?

213 160

p 87 4 668

Trang 21

PHƯƠNG PHÁP 3: PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CỦA KHÍ

 z được tính theo giả thiết rằng các áp suất và nhiệt

độ giả tới hạn đối với mỗi thành phần khí thì tỷ lệ thuận với thể tích của thành phần khí đó và với áp suất và nhiệt độ tới hạn của nó

 Dùng đồ thị của Standing & Katz (ppr, Tpr, z)  z

21

Trang 22

PHƯƠNG PHÁP 3: PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CỦA KHÍ

Ví dụ 7: Tính z của một chất khí từ các thành phần của nó ở 3250 psia và 213 F

Thành phần

khí (1)

Tỉ lệ mole (2)

Mo

(3)

Áp suất tới hạn p c (4)

Nhiệt độ tới hạn T c (5)

M g

(2) x (3) (6)

p pc

(2) x (4) (7)

T pc

(2) x (5) (8)

55 19

213 460

Trang 23

PHƯƠNG PHÁP 4: XÁC ĐỊNH TỪ MỐI TƯƠNG QUAN

Trang 24

Brill and Beggs (1974):

PHƯƠNG PHÁP 4: XÁC ĐỊNH TỪ MỐI TƯƠNG QUAN

24

Trang 28

T nR z

p

T znR

'



a,sc sc

sc

a

V ) vàT P

(ở mặt bề

trên khí

tích Thể

V T) và p

(ở vỉa trong

khí tích Thể

p

T z

z T

p V

V

sc sc

p

zT T

p B

sc

g  

SCF /

ft P

zT ,

Trang 29

Ví dụ 9. Chất khí trong vỉa ở p = 3250 psia và T = 213 F,

00533 0

3250

460 213

91 0 02829

0

00533 0

1000 ,

HỆ SỐ HÌNH THÀNH THỂ TÍCH KHÍ

29

Trang 30

p

z T

nR p

dzz

1dp

dVV

i

p

1p

TznRdp

dzz

1p

TznRp

TznRdp

dzp

TnRdp

1 p

1

C g

p

1 C

0 dp

Trang 31



pr t pc pr pc

pr t

g

p p d

dz z

i p

p

1 dp

dz z

1 p

1 C

.



pr T pc pr

pc g pr

dp

dz z

1 p

C C

Trang 33

600 T

03 3 6 660

2000

, ,

1 03

pc

424

460 212

p p

Trang 34

HỆ SỐ NHỚT

Hệ số nhớt động lực  g: phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất

và cấu tạo của khí

Đơn vị: centipoise (cp) = 0.001 Pa.s = 0.01 g/ cm.s = 0.01 poise = 6.72  10 -4 lbm/ft-sec

Trang 35

Hệ số nhớt động lực 1’ ở áp suất 1 atm và nhiệt

độ vỉa phụ thuộc nhiệt độ vỉa T và tỉ trọng khí g(H.1.4a).

Các giản đồ ở H.1.4b giúp hiệu chỉnh hệ số nhớt

1’ ở áp suất 1 atm khi chất khí có chứa N2, CO2và/hay H2S.

35

Trang 37

Các đồ thị Carr, Kobayashi & Burrows dùng để tính hệ số nhớt

Trang 38

= 2680 psia, nhiệt độ vỉa = 212 F,  g = 0,9, Tpc = 424 R, ppc = 636 psia, hàm lượng CO 2 = 5%mol

337 567

Trang 39

trong đó:

XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT ĐỘNG LỰC

39

Trang 40

 Dempsey (1965) đã thiết lập quan hệ sau:

XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT ĐỘNG LỰC

40

Trang 42

 Giá trị độ nhớt động lực học cuối cùng được xác định:

Ví dụ: Xác định độ nhớt động lực học của hỗn hợp khí có tỷ trọng 0.65, 10% N2, 8%CO2 ở áp suất 10.000 psia và nhiệt độ

Trang 44

NHIỆT ĐỐT CHÁY CỦA KHÍ

Nhiệt đốt cháy của khí là lượng nhiệt được tạo ra khikhí được đốt cháy một cách hoàn toàn tạo thành khí

Trang 45

45

Khi sử dụng các giá trị nhiệt đốt cháy, các từ ướt và khô muốn ám chỉ đến điều kiện của trước khi đốt cháy Khí ướt

có chứa một lượng hơi nước, khoảng 1,75%, khí khô không chứa hàm lượng hơi nước.

Năng suất nhiệt toàn phần là lượng nhiệt được tạo ra khi sự cháy xảy ra hoàn toàn dưới giá trị áp suất không đổi theo các sản phẩm cháy được làm lạnh tới các điều kiện chuẩn và nước ở trong các sản phẩm cháy được ngưng tụ tạo thành trạng thái lỏng.

Giá trị này cũng còn được gọi là giá trị nhiệt đốt cháy tổng cộng.

Năng suất nhiệt thực được xác định tương tự như năng suất toàn phần ngoại trừ lượng nước vẫn tồn tại ở dạng hơi tại điều kiện chuẩn.

45

Trang 46

46

Sự khác biệt giữa hiệu suất nhiệt toàn phần và năng suất nhiệt thực là nhiệt lượng hóa hơi của nước cháy Trong các giá trị trên thì giá trị được sử dụng nhiều trong công nghệ khí là giá trị năng suất nhiệt toàn phần.

Các giá trị thể hiện trong phụ lục là giá trị nhiệt đốt cháy khô Giá trị nhiệt của một khí lý tưởng được xác định:

Trong một trường hợp khác, điều này được tính bằng cách chia giá trị thực cho hệ số lệch khí của khí ở các điều kiện chuẩn:





j

cj î ideal

Trang 47

47

Hệ số lệch tâm ở điều kiện chuẩn được tính bằng cách sử dụng hệ số lệch khí z cho trong bảng phụ lục:

Sự thay đổi từ khí lý tưởng sang khí thực các giá trị năng suốt toả nhiệt thường nhỏ hơn 0,5 % nên thường được bỏ qua Năng suất toả nhiệt thực của khí khô được chuyển sang năng suất tỏa nhiệt của khí ướt cho bởi phương trình:

21

dry c

Trang 48

48

Trong đó hệ số 0,0175 là phần mol của hơi nước trong khí được tách ra ở điều kiện chuẩn Năng suất tỏa nhiệt toàn phần của khí khô có thể được chuyển qua năng suất tỏa nhiệt toàn phần của khí ướt theo phương trình sau:

Trong đó 0,9 là giá trị nhiệt được giải phóng trong suốt quá trình ngưng tự của hơi nước ở trong khí trước bị xảy ra quá trình đốt cháy.

- Ngoài ra cũng có thể sử dụng phương trình sau để tính toán giá trị năng suất tỏa nhiệt của khí nhiên liệu ướt khi biết hàm lượng nước khi xét ở điều kiện chuẩn (600F, 14,7 psi):

9 , 0 )

0175 ,

0 1

Trang 49

wvap wvap

wvap std

dry c wet

c

P

P P

P

P L

L  (  )  50 , 5

49

Trang 50

ENTROPY

phát tán/hấp thụ khi một hệ vật lý chuyển trạng thái tại một nhiệt độ tuyệt đối xác định T (dS = dQ / T).

Định luật thứ hai: có nhiều cách để phát biểu định luật thứ hai của nhiệt động học như:

“Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn” hoặc

“Trong bất kì một quá trình tự diễn biến nào, êntropi tổng của hệ và môi trường xung quanh phải tăng”

50

Trang 52

ENTROPY - BẢNG TRA HỆ SỐ

52

Trang 53

Quá trình gia nhiệt: H tăng

Qua máy nén, bơm, Expander: S1 = S2

Qua bình tách: ∆H = 0

53

Trang 54

Tổng năng lượng của một hệ trừ động năng và thếnăng.

Enthalpy đôi khi còn được gọi là hàm nhiệt lượng

Người ta lập sẵn các đồ thị tra enthapy của hỗn hợphydrocarbon dựa vào khối lượng phân tử, áp suất và nhiệtđộ

54

Trang 56

ĐỒ THỊ ENTHALPY CỦA HC THEO MW, T, P = 1400 ~ 2100 KPa

56

HÌNH 5

Trang 57

57

HÌNH 6

Trang 58

58

HÌNH 7

Trang 59

Giãn nở qua van hoặc van điều tiết

Bơm, máy nén, quạt

Trang 61

BÀI TẬP

Bài 3: Xác định hệ số lệch khí z cho lưu chất vỉa ở nhiệt độ

307oF và áp suất 6,098 psia Cho tỉ lệ C7+ có:

825 40o0





61

Trang 62

KHỒI LƯỢNG RIÊNG,THỂ TÍCH RIÊNG CỦA KHÍ HYDROCACBON

ZRT

MW P

Trang 63

i i

i m

MW y

Trang 65

ÁP SUẤT HƠI BÃO HÒA

Đại lượng này phụ thuộc vào nhiệt độ tính toán theo phương trình Antoine như sau

Trang 66

Pvp là áp suất hơi bão hoà ở TR = 0,7

Đối với hỗn hợp W=Σyiwi

7 , 0



cT T

66

Trang 67

Trong các phương pháp giải tích xác định enthanpy người

ta sử dụng phương pháp dựa trên cơ sở phương trìnhtrạng thái của Redlich-Kwong-Barxuk áp dụng cho hệhydrocacbon C1 đến C10 có thể có chứa N2, CO2, H2S.enthanpy được tính theo biểu thức

67

Trang 68

T C B

y R

Z RT H

y H

c

o i i

i oi

i

/ ,

1 ln 1

5 5

4 4

3 3

2 2

1

100 100

187 ,

Trang 69

ENTROPY

Entropy là loại thông số trạng thái mà lượng biến đổi của

nó trong một quá trình thuận nghịch nào đó có giá trị bằngdS= δQ/T Trong các phương pháp giải tích xác địnhentropy người ta sử dụng phương pháp dựa trên cơ sởphương trình trạng thái của Redlich-Kwong-Barxuk ápdụng cho hệ hydrocacbo C1 đến C10 có thể có chứa N2,CO2, H2S entropy được tính theo các phương trình:

23 , 2

ln 1

ln

Z

m r

R

S S

ohh hh

Sohh = ΣyiSoi - RΣ(yi * lnyi)

69

Trang 70

NHIỆT DUNG RIÊNG

Nhiệt dung riêng của một chất là lượng nhiệt cần thiết đểnâng một đơn vị khối lượng tăng thêm 1oC

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp hydrocacbon khí được xácđịnh từ phương trình:

Cp: Nhiệt dung mole của hỗn hợp khí hydrocacbon ở P,T

Copi: Nhiệt dung mole của cấu tử i ở trạng thái lí tưởng ở T tìm bằng cách tra đồ thị hình 2.46.

ΔCp: Đại lượng hiệu chỉnh cho áp suất P tìm bằng cách tra đồ thị

Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 70

Cp = ΣCopi.yi + ΔCp

Trang 71

NHIỆT LƯỢNG

Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi entropi:

Entropy là loại thông số trạng thái mà lượng biến đổi của

biến đổi của nó trong một quá trình thuận nghịch nào đó có giá trị bằng: dS = δQ/T

Đối với 1kg môi chất công thức viết lại như sau: ds = δq/T

%

100 1

, 2

5 , 2 9

, 2

5 , 5 5

Trang 72

NHIỆT LƯỢNG

Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi nhiệt độ:

Khi có sự trao đổi nhiệt lượng giữa hỗn hợp khí và môi trường nhiệt độ của hỗn hợp khí thường thay đổi Nhiệt lượng trao đổi này

có thể tính qua công thức:

Q = ΣCi*mi*Δti

Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 72

Trang 73

Hệ số lệch tâm được xác định bởi phương trình:

Vì thế hệ số lệch tâm đo được có sự khac nhau giữa chất lỏng ở trạng thái hợp chất phức tạp và chất lỏng đơn giản.

Việc nghiên cứu các phương trình trạng thái có kể thêm thông số w, thông số này phụ thuộc vào thành phần có liên quan, làm tăng đáng

kể độ chính xác của các phương trình.

1 log

7 , 0

Trang 74

74

Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên

Phương trình Soave và Peng-Robinson

)(

45724,

0

2 2

R c

c

T P

m

0778 ,

0

26992 ,

0 54226

, 1 37464 ,

Trang 75

75

Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên

Phương trình trạng thái phi khối

Các phương trình dạng này phức tạp hơn các phương trình được đưa ra trước đây Nó bao gồm một lượng lớn hơn các thông số, được thiết lập để hiệu chỉnh mức độ chính xác của công việc tính toán Thương thường có nhiều hơn ba thông số

và đòi hỏi quá trình tính toán thức tạp hơn, lâu hơn.

Phương trình BWR (Benedict và các tác giả khác) được xuất phát từ phương trình “virial”, thường được sử dụng để thể hiện các đặc tính của pha khí ở điều kiện áp suất trung bình Phương trình “virial” được thiết lập theo sự phát triển của hệ số lệch khí bằng dãy số Taylor trong 1/V:

B RT

PV Z

Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên

75

Định dạng
Số trang	78
Dung lượng	30,78 MB