Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm

Khí tự nhiên và khí đồng hành khai thác từ lòng đất thường bão hoà hơi nước và hàm lượng hơi nước phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, thành phần hoá học của khí.. Do hơi nước trong khí tự n

BỘ MÔN HỮU CƠ - HOÁ DẦU

- -ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ SẤY KHÍ BẰNG OXIT NHÔM

Giáo viên hướng dẫn : PGS TS NGUYỄN THỊ MINH HIỀN

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN ANH TUẤN

Hà Nội - 2005

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

TRONG ĐỒ ÁN

Um : Vận tốc khối lượng khí

C : Hằng số

Dh : Đường kính trung bình hạt chất hấp phụ

h : Khối lượng riêng trung bình của  = Al2O3.

K : Khối lượng riêng của khí ở điều kiện làm việc

g : Gia tốc rơi tự do

P’r : Áp suất rút gọn

T’r : Nhiệt độ rút gọn

Z : Hệ số chịu nén

2

H O

G : Khối lượng nước tách từ khí trong chu kỳ hấp phụ

n : Số chu kỳ

1, 2 : Lượng ẩm trước và sau khí sấy

 : Năng suất khí cần sấy

D : Đường kính tháp hấp phụ

vP : Vận tốc tuyến tính

DP : Đường kính trung bình của hạt  - Al2O3

g : Khối lượng riêng của khí

 : Thời gian của chu kỳ

q : Tải trọng riêng

lvh : Chiều dài vùng hấp phụ

a : Dung lượng ẩm cân bằng động

l1 : Chiều cao cần thiết của lớp hấp phụ động

P : Tổn thất khi khí chuyển động qua lớp hạt chất hấp phụ

f : Hệ số ma sát

dp : Đường kính tương đương của hạt

 : Độ rỗng của hạt

’ : Độ ẩm bão hoa của khí

Re : Chuẩn số Reynolds

 : Độ nhớt của cấu tử

G1 : Khối lượng chất hấp phụ

T4 : Nhiệt độ tái sinh

T1 : Nhiệt độ quá trình hấp phụ

Q1 : Nhiệt cần thiết để đun  - Al2O3.

G2 : Khối lượng thiết bị và phụ tùng trực tiếp nối với các ống thiết bị

C2 : Nhiệt dung riêng của vật liệu kết cấu chế tạo thiết bị

Ht : Chiều cao của tháp

Q2 : Nhiệt cần thiết để đun nóng thiết bị

t : Khối lượng riêng của thép

Q3 : Nhiệt cần để đung nóng nước đến nhiệt độ sôi

T2 : Nhiệt độ sôi của nước

C1 : Nhiệt dung riêng của nước

2

H O

q : Nhiệt bay hơi nước

Q4 : Nhiệt cần để bay hơi nước

Q5 : Nhiệt cần để bay hơi các hydrocacbon được hấp phụ trong quá

trình hấp phụ

Q : Tổng nhiệt lượng cần cung cấp cho quá trình tái sinh

Qm : Lượng nhiệt mất mát ra môi trường

r 2

(Q )H O: Lượng nhiệt riêng cần để giải hấp một đơn vị khối lượng nước hấp phụ

GK : Khối lượng khí đem tái sinh

Ck : Nhiệt dung riêng trung bình của hỗn hợp khí

Vts : Thể tích khí tái sinh

 - Al2O3 : Gama oxit nhôm

BET : Thuyết hấp phụ Brunaner - Emmelt - Teller

DEG : Dietylen Glycol

MEA : Mono Etanol Amin

TEG : Tri Etylen Glycol

LNG : Lique fied Nature Gases

LPG : Lique fied Petroleum Gases

MỞ ĐẦU

Khí tự nhiên và khí đồng hành là những nguyên liệu rất có giá trị để sản xuất nguyên liệu cho tổng hợp hữu cơ hoá dầu cũng như dùng để sản xuất nhiên liệu phục vụ cho nhu cầu dân dụng, công nghiệp, giao thông vận tải (như LNG, LPG)

Khí tự nhiên và khí đồng hành khai thác từ lòng đất thường bão hoà hơi nước và hàm lượng hơi nước phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, thành phần hoá học của khí Ngoài các cấu tử chính là các hydrocacbon parafin chúng còn chứa các tạp chất như bụi, hơi nước, khí trơ, CO2, H2S và các hợp chất hữu cơ chứa S nên trước khi đưa vào chế biến khí cần phải qua công đoạn chuẩn bị mà trong đó qúa trình tách hơi nước là rất quan trọng

Do hơi nước trong khí tự nhiên và khí đồng hành có thể bị ngưng tụ trong các hệ thống công nghệ xử lý khí sau này, kết quả sẽ tạo các điều kiện hình thành các hydrat (các chất tinh thể rắn) dễ đóng cục chiếm các khoảng không trong các ống dẫn hay các thiết bị, phá vỡ điều kiện làm việc bình thường đối với các dây chuyền khai thác, vận chuyển và chế biến khí Ngoài

ra sự có mặt của hơi nước và các hợp chất chứa lưu huỳnh sẽ làm tiền đề thúc đẩy sự ăn mòn kim loại, làm giảm tuổi thọ và thời gian sử dụng của các thiết bị, công trình vậy nên nghiên cứu về công nghệ sấy khí nhằm làm giảm hơi nước đồng thời ngăn ngừa sự tạo thành hydrat trong khí tự nhiên và khí đồng hành là rất cần thiết

Trong công nghiệp có rất nhiều phương pháp được dùng để hạ nhiệt

độ điểm sương và sấy khô khí tự nhiên cũng như khí đồng hành Với đề tài

“Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm” em lựa chọn

phương pháp sấy hấp phụ với chất hấp phụ là  - Al2O3 vì -Al2O3 có cấu

trúc xốp, bề mặt riêng lớn, có các tâm axit, dễ tạo viên, độ bền cơ, bền nhiệt, chịu được nước

Với yêu cầu là sấy khí đồng hành của mỏ Bạch Hổ thì phương pháp này có thể đạt được điểm sương thấp, điểm sương của khí sau khi sấy bằng

-Al2O3 có thể đạt tới -730C (hay -1000F) và độ giải ẩm cao trong khoảng rộng của các thông số kỹ thuật bên cạnh đó quá trình còn thuận tiện, kính tế

và công nghệ dễ vận hành

Đề tài này được chia làm hai phần:

Phần I: Tổng quan Phần này trình cơ sở hoá lí và công nghệ sấy khí

từ đó lựa chọn chất hấp phụ và công nghệ phù hợp

Phần II: Tính toán thiết kế công nghệ Trong phần này bao gồm việc

tính toán cân bằng vật liệu, cân bằng năng lượng và tính toán thiết kế thiết bị chính

Em xin chân thành cảm ơn cô giáo PGS TS Nguyễn Thị Minh Hiền,

Bộ môn Công nghệ Hữu cơ Hoá dầu Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ để đồ án này của em có thể hoàn thành đúng thời hạn

PHẦN I TỔNG QUAN

CHƯƠNG I: CƠ SỞ HOÁ LÍ CỦA CÔNG NGHỆ SẤY KHÍ

I.1 THÀNH PHẦN, ĐẶC TÍNH CỦA KHÍ TỰ NHIÊN VÀ KHÍ ĐỒNG HÀNH

Khí tự nhiên và khí đồng hành bao gồm các hợp chất hydrocacbon và phi hydrocacbon Những cấu tử cơ bản của khí tự nhiên và khí đồng hành là các hydrocacbon no, đó là các parafin thuộc dãy đồng đẳng của metan

Khí tự nhiên được khai thác từ các mỏ khí riêng biệt, trong khí này thành phần chủ yếu là khí metan (CH4) có thể chiếm 85  99% Còn lại là các khí khác như etan ( C2H6), propan (C3H8) và rất ít butan (C4H10), cá biệt

có thể có mỏ chứa CO2 tới 60% …

Khí đồng hành là khí nằm lẫn trong dầu mỏ, được hình thành cùng với dầu, ta nhận được khi khai thác và chế biến dầu mỏ Thành phần chủ yếu của khí đồng hành là khí metan có thể chiếm từ 73  77%, còn lại là các khí nặng như propan, butan, pentan…

Ngoài thành phần chính là hydrocacbon, trong khí tựt nhiên và khí đồng hành còn chứa các hợp chất phi hydrocacbon khác như CO2, N2, H2S, H2, He…

Số lượng và hàm lượng các cấu tử thay đổi trong những khoảng rộng

Bảng I.1 Thành phần hoá học trung bình của khí tự nhiên và khí đồng hành ở Việt Nam (% theo thể tích)

Các cấu

tử

Bạch Hổ Đại Hùng Rồng Lan Tây Tiền Hải

H2S - - - 10,0 -

I.2 CÁC TÍNH CHẤT CỦA KHÍ TỰ NHIÊN VÀ KHÍ ĐỒNG HÀNH

I.2.1 Phương trình trạng thái của các hydrocacbon

Các tính chất vật lí của khí tự nhiên và khí đồng hành phụ thuộc vào các thông số của hỗn hợp và thành phần hoá học của nó

Để xác định tính chất nhiệt động của các chất và hỗn hợp của chúng cũng như entanpi, entropi, tỷ trọng, fugat; người ta sử dụng phương trình trạng thái xác định quan hệ giữa nhiệt độ, áp suất và thể tích của hệ

Tính chất nhiệt độ của khí tự nhiên, khí đồng hành và các cấu tử của chúng rất khác với tính chất của khí lý tưởng, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp và

áp suất cao Vì vậy không thể sử dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng

để xác định các tính chất của chúng mà ta phải dùng các phương pháp trạng thái mô tả hệ khí thực như:

- Phương trình Vander Waals

- Phương trình Benedict - Webb - Rubin (BWR)

- Phương trình Redlich - Kwong (RK)

- Phương trình Peng - Robinson (PR)

I.2.2 Cân bằng pha của hệ các hydrocacbon

Hằng số cần bằng K là đại lượng đặc trưng cho sự phân bố của các cấu

tử giữa các pha ở điều kiện cân bằng và nó được xác định bằng phương trình

Trong đó:

yi - phần mol của cấu tử i trong pha hơi;

Với hệ khí lý tưởng, K được xác định theo phương trình sau:

Trong đó:

Pi - áp suất hơi bão hoà của cấu tử i ở nhiệt độ T của hệ

P - áp suất chung toàn hệ ở nhiệt độ T

Với hệ khí thực, K được xác định bằng phương pháp giải tích và phương pháp giản đồ

Tuy nhiên, điều kiện cân bằng pha cơ bản của hệ là nhiệt độ, áp suất

và thế hoá học của mỗi cấu tử phải bằng nhau ở pha khí và pha lỏng

I.3 TÍNH CHẤT CỦA HỆ HYDROCACBON VÀ NƯỚC

I.3.1 Hàm ẩm của khí

Khí tự nhiên và khí đồng hành khai thác từ các mỏ dưới lòng đất luôn bão hoà hơi nước Hàm lượng hơi nước có trong hỗn hợp khí phụ thuộc vào

áp suất, nhiệt độ và thành phần khí Tại mỗi giá trị áp suất và nhiệt độ có thể xác định được hàm lượng ẩm tối đa của khí Hàm lượng ẩm cân bằng hay còn gọi là độ ẩm cân bằng

Khi biểu diễn hàm lượng hơi nước có trong khí, người ta sử dụng hai khái niệm: độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối Độ ẩm tuyệt đối là lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích hoặc một đơn vị khối lượng khí (được biểu diễn bằng g/m3 khí hoặc g/kg khí) Độ ẩm tương đối là tỷ số giữa khối lượng hơi nước có trong khí và khối lượng hơi nước tối đa có thể có trong khí ở điều kiện bão hoà (được biểu diễn theo phần trăm hoặc phần đơn vị)

Nếu giảm nhiệt độ khí bão hoà hơi nước còn áp suất không đổi thì một phần hơi nước bị ngưng tụ Nhiệt độ tại đó hơi nước có trong khí bắt đầu ngưng tụ được gọi là điểm sương của khí ẩm tại áp suất đã cho

Hàm ẩm của khí phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và thành phần hỗn hợp khí Hiện nay có rất nhiều phương pháp xác định hàm ẩm của khí, mà phổ biến hơn cả là các phương pháp sau đây:

- Sử dụng quan hệ giữa áp suất riêng phần và thành phần lỏng hơi

- Sử dụng các đường cong thực nghiệm phụ thuộc của hàm ẩm vào nhiệt độ và áp suất

- Hiệu chỉnh các đường cong trên khi có mặt của CO2, H2S, N2

- Sử dụng phương trình trạng thái P - V - T

I.3.2 Ảnh hưởng của nitơ và các hydrocacbon nặng đến hàm ẩm của khí

Như ta biết, nitơ giữ nước kém hơn metan ë áp suất 7,0 MPa, hàm ẩm của nitơ nhỏ hơn hàm ẩm của metan 6  9% Chênh lệch này sẽ tăng khi áp suất tăng

Ngược lại, sự có mặt của các hydrocacbon nặng lại làm tăng hàm ẩm của khí và sự chênh lệch này cũng phụ thuộc vào áp suất của hệ, ở áp suất tiêu chuẩn sự chênh lệch này là nhỏ Ảnh hưởng của nitơ và các hydrocacbon nặng là như nhau trong nhiều hỗn hợp khí

I.3.3 Hàm ẩm cân bằng của hydrat

Trên hình (H.1) và hình (H.2) biểu diễn các đường cong phụ thuộc của nhiệt độ điểm sương vào hàm ẩm ở các áp suất khác nhau của hệ dựa trên cơ

sở coi nước ngưng tụ là pha lỏng Tuy nhiên ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tạo hydrat của khí, pha "ngưng tụ" không phải là pha lỏng mà là pha rắn được gọi là hydrat

Trạng thái chuyển tiếp từ lỏng thành hydrat gọi là trạng thái lỏng chưa

ổn định "metastable" Đường hàm ẩm cân bằng của khí - hydrat sẽ nằm phía dưới đường cân bằng khí - metastable (hình H.3)

Hình H.2: Hàm lƣợng ẩm của khí tự nhiên khô ngọt

Trên hình (H.3) biểu diễn hàm ẩm của hỗn hợp khí chứa 94,69%CH4

và 5,31% C3H8 Sự hình thành hydrat phụ thuộc vào nhiều yếu tố Thành phần hỗn hợp khí, sự có mặt của các chất tạo mầm, nhiệt độ, áp suất, mức độ khuấy trộn…

Do hàm ẩm của khí phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hỗn hợp khí, các số liệu đƣa ra trên hình (H.3) chỉ là minh hoạ nên không thể ngoại suy cho các hỗn hợp khí có thành phần khác

I.3.4 Sự tạo thành hydrat

I.3.4.1 Cấu trúc tinh thể hydrat

Nước có trong hỗn hợp khí luôn luôn tạo thành hydrat với các cấu tử

có trong thành phần hỗn hợp khí Các hydrat này có cấu trúc tinh thể và về bản chất là các dung dịch rắn, còn dung môi là các phần tử nước liên kết với nhau bằng liên kết hydro Các phần tử hydro cacbon nhẹ (metan, etan, propan, butan) thâm nhập vào mạng lưới này tạo thành mạng tinh thể hydrat bền vững

Về cấu trúc các tinh thể hydrat có hai loại ô mạng cơ sở được mô tả ở hình (H.4)

Hình H.4: Ô mạng cơ sở của tinh thể hydrat

Các chấm tròn chỉ các phân tử nước, các đoạn thẳng chỉ liên kết hydro Bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen đã cho thấy cấu trúc tinh thể hydrat có dạng 12 mặt, mỗi mặt là hình 5 cạnh Cấu trúc này có thể biến đổi thành các

dạng 14 mặt (14-hedron như hình vẽ mô tả cấu trúc I) và 16 mặt (16-hedron như hình vẽ mô tả cấu trúc II)

Dạng cấu trúc I có hằng số mạnh là 12A0, chứa 46 phần tử nước sắp xếp hình thành 8 lỗ trống, trong đó có 2 lỗ trống ở dạng 12 mặt, 6 lỗ trống còn lại có dạng 14 mặt Các phần tử metan có thể chui vào bất kỳ lỗ trống nào, trong khi các phần tử etan chỉ có thể chui vào các lỗ trống lớn Nhưng cũng có một vài ô mạng không bị các phân tử hydro cacbon có cấu trúc phân

tử cồng kềnh hơn như propan và butan không thể chui vào các lỗ trống thuộc loại cấu trúc I này

Dạng ô mạng tinh thể cấu trúc II, 16 mặt và có hằng số mạng là 17A0 Ô mạng cơ sở chứa 136 phân tử nước với cấu trúc trục chứa 16 lỗ tống 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 này có thể bẫy được các phân tử lớn như propan, n-butan, izo-butan

Ngoài yếu tố kích thước phân tử, yếu tố thứ hai có ảnh hưởng đến sự hình thành hydrat là tính hoà tan trong nước của các hydro cacbon Sự có mặt của các tạp chất như H2S, CO2, N2 có ảnh hưởng đáng kể đến sự tạo thành hydrat

Sự tạo thành hydrat còn phụ thuộc các dạng năng lượng như lực hút, lực đẩy, lực quay, lực liên kết ở trạng thái cân bằng Khi một tinh thể hydrat được hình thành thì cấu trúc liên kết hydro sẽ không bị phá vỡ cho đến khi mất cân bằng lực liên kết hydro bị giảm đi và liên kết đó bị bẻ gãy

Người ta đã xác định được một số tinh thể hydrat điển hình: CH4 5,9H2O; C2H6 8,2H2O; H2S 6,1 H2O; CO2 6 H2O ; N2 6 H2O; C3H8 17

H2O; izo - C4H10 17 H2O; n-C4H10 có thể tạo hydrat nhưng không bền và dễ

bị phân huỷ Tất cả các parafin lớn hơn butan không tạo thành hydrat

Hỗn hợp khí tự nhiên dễ tạo thành hydrat hơn các cấu tử tinh khiết vì

có khả năng bị bẫy trong cả ba dạng lỗ trống kể trên do đó mạng lưới tinh thể hydrat ổn định hơn Như vậy, hỗn hợp các phân tử có kích thước khác nhau thuận lợi cho sự hình thành hydrat

Các tinh thể hydrat riêng biệt tạo thành trong nước ở trạng thái lỏng Chỉ trong điều kiện pha lỏng mới có đủ nồng độ và mức năng lượng cần thiết

để tạo thành liên kết hydro Những tinh thể hydrat này rất nhỏ nhưng chúng

có thể phát triển lên thành những tinh thể lớn hơn

I.3.4.2 Cân bằng quá trình tạo hydrat

Trên hình (H.5) là các đường cong đặc trưng của quá trình tạo hydrat của các cấu tử khí tự nhiên, nó cho biết điều kiện hình thành tạo hydrat Miền phía dưới và bên phải các đường này không tạo thành các hydrat Ở giá trị nhiệt độ nào đấy đường cân bằng trở thành thẳng đứng, giá trị nhiệt độ có được gọi là nhiệt độ cực đại của quá trình tạo hydrat của các cấu tử đó

Trên hình (H.6) ta xét điều kiện tạo hydrat của propan ở T0 < 00C (320F): tồn tại cả hai dạng nước đá và hydrat ở phía trên đường cong cân bằng, còn ở phía dưới đường cong chỉ có nước đá và hơi

Ở T0

>00C (320F): 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 tạo hydrat của cấu tử tinh khiết (propan)

I.3.4.3 Nhận xét

Do hơi nước trong khí tự nhiên và khí đồng hành có thể tạo các hydrat, cản trở quá trình vận hành của các thiết bị trong quá trình chế biến khí ( như bơm, quạt, máy nén…) Để hạn chế tác hại của hiện tượng này khí cần được dehydrat bằng cách hạ nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp khí hoặc dùng các