Bài giảng công nghệ khí (ths hoàng trọng quang) chương 3

Trang 2

Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí

Nội dung

Một số pha phổ biến và đặc điểm của chúng

Lịch sử nghiên cứu pha

Ứng xử pha của hệ đơn cấu tử

Giản đồ pha 3D (P-V-T) của hệ đơn cấu tử Giản đồ pha 2D (P-V) của hệ đơn cấu tử

Ứng xử pha của hệ đa cấu tử

Trang 3

11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 3

Khái niệm về pha

trong hệ thống

như nước đá và hydrate đều là chất rắn và có màu hơitrắng nhưng chúng có các tính chất và đặc trưng vật lýkhác nhau

(Clausius Clapeyron)

Trang 4

Một số pha phổ biến và đặc điểm của chúng

Pha rắn: hình dạng xác định và gần như không nén

được

Pha lỏng: thể tích xác định nhưng không có hình dạng

xác định Nó cũng rất khó nén được, trừ khi ở dưới ápsuất cực lớn

Pha khí: không có thể tích hay hình dạng xác định Nó

có thể nén được dễ dàng  hoạt động cao

Trang 5

Lịch sử nghiên cứu về pha

Một số nhà tiên phong có các đóng góp quan trọng nghiên cứu về pha như:

chất như: N2, H2S, SO2, CO2 vào năm 1845.

ngược vào năm 1982.

Trang 6

Lý do nghiên cứu về pha

điều kiện áp suất, nhiệt độ và thể tích cho trước để xácđịnh rõ mức năng lượng tương ứng

tự nhiên trong việc xử lý các chất lưu tồn tại hai phanhư:

Dòng chất lưu trong các đường ống thu gom

Sự chưng cất

Trang 7

ỨNG XỬ PHA CỦA CÁC HỆ ĐƠN CẤU TỬ

Giản đồ pha 3D (P-V-T) của hệ đơn cấu tử

Giản đồ pha 2D (P-T) của hệ đơn cấu tử

Trang 8

GIẢN ĐỒ PHA CỦA HỆ ĐƠN CẤU TỬ

C: điểm tới hạn (Critical Point)

tương ứng với áp suất và nhiệt độ

tới hạn P c , T c .

Dense Phase:

Vùng trạng thái một pha.

o n m

D

Trang 9

VÍ DỤ: GIẢN ĐỒ PHA CỦA C 2 H 6

Trang 10

GIẢN ĐỒ PHA CỦA HỆ ĐƠN CẤU TỬ

Vật chất trong vùng một pha (dense phase) có các tínhchất vật lý (như thể tích riêng, khối lượng riêng, enthanpy,

độ nhớt,…) là trung gian giữa chất khí và lỏng

Như vậy trong vùng này ta không thể thay đổi các thông số

đó có nghĩa là quá trình hóa lỏng một phần hay toàn bộ khímột cấu tử bằng phương pháp nén chỉ thực hiện được khi

hạ nhiệt độ khí đó xuống dưới nhiệt độ tới hạn

Trang 11

GIẢN ĐỒ PHA CỦA HỆ ĐA CẤU TỬ

hạn thường là một khoảng rộng các thông số và phụ thuộc

Trang 12

Giản đồ pha của hỗn hợp khí

Trang 13

Vị trí vài thông số trên giản đồ pha hệ đa cấu tử

Điểm N (cricondenbar) điểm

tương ứng với áp suất lớn

Trang 14

Giản đồ pha 3D (P-V-T) của hệ đơn cấu tử

Hệ đơn cấu tử gồm toàn bộ một loại nguyên tử hay

100% propane C3H8.Giản đồ pha 3D (Hình 3) điển hình cho một chất tinhkhiết có ba trục là P, T và V, gồm một loạt các bề mặtphẳng mà mỗi bề mặt biểu thị cho một pha hay một hỗnhợp các pha cho trước Đặc biệt chú ý đến các mặtphẳng hai pha như:

Trang 15

Trang 16

Mặt chỉ có pha lỏng là mặt dốc đứng về bên trái của mặt HCI và gần kề với mặt BDHG.

Mặt chỉ có pha khí là mặt nghiêng về bên phải của mặt HCI.

Quan tâm chủ yếu đến mặt HCI là vùng khí - lỏng của giản đồ pha.

Giản đồ pha 3D là rất khó sử dụng  xây dựng các hình chiếu lên một bề mặt 2D:

Trang 17

Giản đồ pha 2D P-T của hệ đơn cấu tử

Giản đồ pha 2D P-T là hình chiếu lên hệ trục P-T gồmnhiều đường ứng với thể tích riêng V không đổi

đường trong mặt phẳng chiếu P-T như HÌNH 4

suất và nhiệt độ mà tại đó những pha liên hợp là ở cânbằng Tại một trạng thái cân bằng, có thể thay đổi pha ở

hệ

Điểm H: điểm 3 pha, là điểm duy nhất có áp suất và nhiệt

độ tại ba pha có thể tồn tại với nhau

Trang 18

Giản đồ pha 2D (P-T) của hệ đơn cấu tử

Trang 19

FH: sẽ không bao giờ có chất lỏng tồn tại và chất rắn thăng hoa thành chất khí  nước đá khô để làm lạnh.

HD: đường cân bằng giữa pha lỏng và pha rắn  Nước đá ở 0 o C [32 o F] và áp suất khí quyển.

Có thể có độ dốc dương hoặc âm phụ thuộc vào chất lỏng giãn

Được gọi là đường bão hòa pha rắn-lỏng hoặc đường cân bằng pha rắn-lỏng.

Trang 20

HC: đường bão hòa hoặc cân bằng pha khí-lỏng.

bắt đầu tại điểm 3 pha & kết thúc tại điểm tới hạn “C”.

Điểm tới hạn C (Tc và Pc).

các tính chất của pha lỏng và pha khí trở thành đồng nhất.

điểm phía trên củng mà ở đó pha lỏng không thể tồn tại như là một pha riêng biệt duy nhất.

đặc để phân biệt nó với chất lỏng và chất khí bình thường.

Đường HC: đường áp suất hơi = đường điểm bọt khí = đường điểm

Trang 21

Trong HÌNH 4, khảo sát một quá trình đẳng áp với áp suất P1.

Từ “m” đến “n”, hệ là hoàn toàn pha rắn.

Hệ là hoàn toàn pha lỏng đối với đoạn o-b.

Tại “b”, hệ là pha lỏng bão hòa mà thêm vào bất kỳ năng lượng nào sẽ gây ra sự bay hơi ở nhiệt độ và

áp suất không đổi.

Tại “d”, hệ ở trong trạng thái khí bão hòa.

Ở nhiệt độ phía trên “d”, hệ là chất khí quá nhiệt.

Trang 22

Hình chữ nhật “bfghd” minh họa thuộc tính pha quan trọng khác được xác định bằng thí nghiệm Giả sử: chất lỏng ở chế độ “b”  “f” (đẳng nhiệt): màu của nó sẽ bắt đầu mờ nhạt giống như một chất khí nhưng vẫn chưa nhìn thấy bọt khí được tạo thành.

Tại điểm “f” (trên điểm tới hạn) hệ là ở pha thứ tư mà pha này không được mô tà trực giác Nó thường được gọi là chất lưu pha đậm đặc, hoặc đơn giản là chất lưu.

Chất lưu ở điểm “f” giống như một chất khí nhưng có những tính chất khác với chất khí thông thường ở phía bên phải đường HC và bên dưới áp suất tới hạn Nó đậm đặc hơn khí thông thường nhưng nó có thể nén được nhiều hơn chất lỏng thông thường  hiệu chỉnh để phản

Trang 23

Từ điểm “f” giữ áp suất không đổi (đẳng áp) tiến tới điểm “g”, rồi giảm

áp đẳng nhiệt tới điểm “h”, và tiến hành đẳng áp tới điểm “d” Chất lưu

đi từ pha lỏng bão hòa tới pha khí bão hoà mà không gặp bất kỳ thay đổi pha có thể thấy rõ.

Chất lưu có thể đi từ “b” và “d” trực tiếp bằng cách thêm năng lượng vào chất lỏng ở áp suất không đổi Chúng ta có thể quan sát thấy sự hình thành các bọt khí trong buồng chứa và một ranh giới giữa pha khí

và pha lỏng Khi năng lượng tiếp tục đưa vào, mức chất lỏng sẽ giảm cho tới khi pha lỏng biến mất Không có thay đổi nhiệt độ nào sẽ xảy ra khi đi từ điểm “b”(pha lỏng bão hòa) tới điểm “d” (pha khí bão hòa).

Trang 24

Điểm tới hạn

Trang 25

Điểm tới hạn

Trang 26

Ứng xử pha của hệ thống đa cấu tử

Giản đồ pha điển hình của hỗn hợp khí đa cấu tử

Hiện tượng ngưng tụ ngược

Ảnh hưởng của thành phần

Ảnh hưởng của tạp chất

Trang 27

thứ ba là trục phần mol của nC7 trong hỗn hợp.

Đối với hỗn hợp đa cấu tử: bề dày và chiều cao của biên dạng pha sẽ thay đổi theo thành phần.

Trang 28

Giản đồ pha 2D điển hình của hỗn hợp khí đa cấu tử

một hình chiếu chỉ biểu thị phần khí – lỏng của biên dạng pha.

Đuờng điểm bọt khí biểu thị 0% pha khí và đường điểm sương biểu thị 100% pha khí.

Trang 29

Giản đồ pha 2D điển hình của hỗn hợp khí đa cấu tử

Trang 30

Hiện tượng ngưng tụ ngược

Thông thường khi tăng nhiệt độ hoặc giảm áp suất thì lượng chất lỏng giảm đi Ngược lại, khi giảm nhiệt độ hoặc tăng áp suất mà lượng chất lỏng giảm đi thì đó

là hiện tượng ngược.

Ở nhiệt độ không đổi, hiện tượng ngược đẳng nhiệt

(HÌNH 7a) có thể là:

Hiện tượng ngưng tụ ngược đẳng nhiệt: khi áp suất giảm từ điểm X đến điểm Z (X-W-R-Y-Z)

Trang 31

(Retrograde Phenomenal)

Trang 32

Ở áp suất không đổi ta có thể gặp hiện tượng ngược

(ngưng tụ hoặc bay hơi) đẳng áp (HÌNH 7b)

Trang 33

Ảnh hưởng của thành phần

Tương tự như giản đồ pha T-P-x, HÌNH 8 cho thấy

ảnh hưởng của thành phần lên hình dạng và vị trí của biên dạng pha đối với hệ nhị phân methane-propane có:

2 đường áp suất hơi

3 biên dạng pha

1 Đường nét đứt

ảnh hưởng của thành phần lên biên dạng pha đối với hệ nhị phân

Metan - Propan

Trang 34

Ảnh hưởng của đặc trưng C 6 +/C 7 +

của phần C6+, nC7, nC9, nC11 và đặc trưng hóa hoàn toàn

rộng

Trang 35

Ảnh hưởng của đặc trưng hóa C6+/C7+

Trang 36

Ảnh hưởng của tạp chất

Hydrocarbon thường có các tạp chất phi

hydrocarbon, phổ biến nhất là nước, carbon

dioxide, hydrogen sulfide và nitrogen.

Nước có áp suất hơi thấp và gần như không hòa lẫn trong pha lỏng hydrocarbon nên không có ảnh hưởng đáng kể đến hình dạng của biên dạng pha hydrocarbon trừ phi ở độ cao và áp suất thấp.

Ảnh hưởng của CO , H S và N được mô tả trên

Trang 37

Ảnh hưởng của tạp chất

Trang 38

Mặc khác, nitrogen làm tăng cricodenbar và làm

Trang 39

CÁC TRƯỜNG HỢP ỨNG DỤNG CỦA BIÊN DẠNG PHA

Trang 40

Các kiểu vỉa

Vỉa là “kho chứa” mà ta có thể lấy ra chất lưu trong cáchọat động khai thác và xử lý Do vậy, hiểu biết về ứng xửcủa chất lưu này rất quyết định khi chúng ta bắt đầu tiến

HÌNH 10 biểu thị 4 loại vỉa khác nhau Các điểm 1, 2, 3 và

đứng từ các điểm này biểu thị sự suy giảm áp suất vỉa ởnhiệt độ không đổi Đường cong biểu thị sự thay đổi ápsuất và nhiệt độ xảy ra trong giếng Các điểm “w” biểu thị

Trang 41

Trang 42

Vỉa dầu đen (black oil reservoir): vỉa (1).

T < TcVỉa lúc này là dưới bão hòa.

Không có khí nào sẽ được tạo thành trong vỉa cho đến khi áp suất đạt tới điểm bọt khí mà ở đó nó trở nên bão hòa, tuy nhiên như đã thấy khí có thể sẽ hình thành trong giếng.

Vỉa dầu bay hơi (volatile oil reservoir): vỉa (2).

T < Tc,GOR của vỉa cao hơn vỉa dầu đen.

Dầu có thể có màu sáng hơn

Trang 43

Pv giảm đến điểm sương, pha lỏng hình thành trong vỉa.

Chất lỏng này sẽ không chảy vào giếng cho đến khi nó đạt tới sự bão hòa tới hạn.

Tại điểm sương: thành phần khí trong giếng có thể thay đổi Lưu lượng có lẽ cũng thay đổi nếu chất lỏng không chảy cản trở một phần dòng khí.

Khi áp suất giảm hơn nữa xuống dưới điểm sưong, sự hình thành pha lỏng càng tăng miễn là áp suất còn trong vùng ngược.

Phía dưới vùng này: một số sự tái bay hơi lại.

Trang 44

Vỉa khí thực (true gas reservoir): vỉa (4).

Nhiệt độ của nó ở bên trên của cricondentherm.

Không có pha lỏng nào có thể hình thành trong vỉa

ở bất kỳ áp suất nào.

Tuy nhiên, nếu các chế độ đầu giếng ở bên trong biên dạng pha thì pha lỏng sẽ hình thành trong giếng và xuất hiện ở bề mặt.

Như vậy, chúng ta không thể nói vỉa thuộc kiểu

Trang 45

như minh họa trên hình HÌNH 11

Đối với vỉa dầu đen: cần đoạn đường bọt khí.

Đối các vỉa là dầu bay hơi, khí condensate hoặc khí thực: cần đoạn trên của đường pha, điểm tới hạn, cricondenbar và cricondentherm.

Một trong các sai lầm phổ biến nhất là không thu được các mẫu chất lưu vỉa tốt và rồi xác định các đặc trưng ứng xử pha của mẫu nói trên  đòi hỏi phải làm một loạt các “dự đoán” không cần thiết rất tốn kém.

Trang 46

Trang 47

Bơm các chất lỏng

mại như ethane và propane ở điểm bọt khí của chúng phải không có khí hình thành trong đầu hút của bơm đểtránh sự sủi bong bóng (cavitation)

Trong hình HÌNH 12:

điểm A: chế độ trong tank chứa (bão hòa),điểm B: áp suất ở đầu vào của bơm do cột áp củachất lỏng trong ống dẫn hút,

điểm C: áp suất bên trong bơm ở cửa bánh công tác

Độ giảm áp B-C xảy ra trong đoạn hút của bơm Điểm Cphải ở trên đường bão hòa Nếu cột áp A-B là không lớnhơn độ giảm áp B-C thì sự sủi bong bóng sẽ xảy ra

Trang 48

Bơm các chất lỏng

Trang 49

Các đường ống áp suất cao

Khảo sát HÌNH 13 đối với đường ống áp suất cao:

Giả sử đường nét liền biểu thị đường pha của khí đi vào đường ống, và các điểm I và J biểu thị các chế độ của lối vào và lối ra của đường ống.

Khi đường I-J đi ngang qua đường điểm sương, pha lỏng sẽ bắt đầu ngưng tụ trong đường ống Từ điểm này trở đi dòng chảy hai pha tồn tại.

Sự hình thành pha lỏng có thể được ngăn cản bằng việc khử vừa đủ các mẫu chất nặng để thay đổi hình dạng và vị trí của đường pha -> giả sử thay đổi thành phần bởi quá trình xử lý khí sao cho đạt được kết quả là đường nét đứt thì sẽ không có pha lỏng nào tồn tại -> Bất kỳ sự hiện hữu pha lỏng nào cũng do chất lỏng mang theo của bình tách hay một thành phần khác với thành phần đã được dùng để xây dựng đường pha.

Trang 50

Trang 51

Đường M-N: hoạt động của đường ống trong vùng chất

ngưng tụ chất lỏng trong đường ống và các vấn đề liên

câu hỏi rất thích đáng đặt ra là:

Đường M-N cắt biên dạng pha và pha lỏng ? Điểm N kết thúc bên dưới cricondenbar, bên trái của đường pha đến mức đường này sẽ có nhiều đặc tính của pha lỏng hơn của chất lưu đậm đặc ở đầu ống xả.

Để trả lời hai câu hỏi này đòi hỏi một sự phân tích tốt vàmột đường pha tin cậy (thích hợp nhất là xác định từ

Định dạng
Số trang	101
Dung lượng	41,47 MB

Bài giảng công nghệ khí (ths hoàng trọng quang) chương 3

Dự đoán trạng thái pha