LUẬN VĂN THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ SẤY KHÍ BẰNG DEG

Nh vậy với nhũng tác hại của hàm lợng hơi nớc trong khí nói ở trênthì để giải quyết những vấn đề có hại nh vậy ngời ta đa phơngpháp sấy khô khí nhằm tách hơi nớc trong khí để ngăn ngừa s

Mục lục

Trang

mở đầu 3

Phần I : tổng quan 5

CHƯƠNG I : Phần lý thuyết cơ bản 5

I.1 Khái niệm chung về sấy khí 5

I.2 Nguyên tắc chung của phơng pháp sấy khô khí 7

I.3 Các phơng pháp sấy khô khí 7

I.3.1 Sấy khô khí bằng phơng pháp hấp phụ 7

I.3.2 Sấy khô khí bằng phơng pháp hấp thụ 8

CHƯƠNG II : Hấp thụ - Sấy khô khí bằng dung môi DEG .13 II.1 Một số tính chất hoá lý của dung môi DEG 13

II.2 Cơ sở hóa lý của quá trình 16

II.2.1 Độ hoà tan của khí trong lỏng 17

II.2.2 ảnh hởng của hàm ẩm 17

II.2.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ điểm sơng của hỗn hợp khí vào nhiệt độ tiếp xúc với dung dịch DEG 18

II.2.4 Sự phụ thuộc áp suất hơi bão hoà của dung dịch DEG vào nhiệt độ 19

II.2.5 ảnh hởng của lợng dung môi đến quá trình hấp thụ 19 ii.3 Công nghệ sấy khí bằng chất hấp thụ DEG 21

II.3.1 Sơ đồ nguyên tắc nguyên tắc công nghệ sấy khô khí bằng DEG 21

II.3.2 Sơ đồ nguyên tắc nguyên tắc công nghệ sấy khô khí với sự tái sinh chân không DEG 22

II.3.3 Sơ đồ nguyên tắc nguyên tắc công nghệ sấy khô khí bằng DEG với sự bổ sung DEG 24

phần II : tính toán thiết kế 26

A - Tính toán thiết kế tháp hấp thụ 26

I Hàm lợng ẩm của hỗn hợp khí 26

II Tính lu lợng chất làm khô DEG lỏng 30

III Tính cân bằng vật liệu của thiết bị hấp thụ 32

VI Tính cân bằng nhiệt lợng cho thiết bị hấp thụ 36

B - Tính toán thiết kế tháp nhả hấp thụ 42

I Tính cân bằng vật liệu cho tháp nhả hấp thụ 44

II Tính cân bằng nhiệt lợng cho tháp nhả hấp thụ 51

phần III : tính toán thiết kế thiết bị chính 60

A - Tính toán tháp hấp thụ 60

I Tính kích thớc tháp hấp thụ 60

II Tính đờng kính tháp hấp thụ 62

III Tính chiều cao tháp hấp thụ 63

B - Tính toán tháp nhả hấp thụ 65

I Tính số đĩa lý thuyết 65

II Tính đờng kính tháp nhả hấp thụ 66

III Tính chiều cao tháp nhả hấp thụ 67

phụ lục

kết luận

tài liệu tham khảo

Mở đầu

Cùng song song và phát triển với những ngành công nghiệp khácthì ngành dầu khí Việt Nam cũng đã phát triển và đang trên đàphát triển mạnh, ngày càng cao hơn với những kỹ thuật - khoa học.Những nhà máy hiện đại ra đời nh nhà máy sử lý khí Dinh Cố, nhàmáy sử lý khí đầu tiên của nớc ta đã chính thức đi vào hoạt động

từ tháng 12 năm 1998 cung cấp khí dầu mỏ hoá lỏng (LPG) phục vụcho công nghiệp và cho dân dụng Các dự án khí - điện - đạm số 1

ở Vũng Tàu, dự án khí - điện - đạm số 2 ở Cà Mau đã và đangtriển khai thực hiện nhằm sử dụng có hiệu quả nguồn nguyên liệukhí tự nhiên, khí đồng hành của đất nớc

Kỹ thuật khí hoá nhiên liệu lỏng và kỹ thuật chế biến khí thiênnhiên, khí dầu mỏ là những ngành kỹ thuật phát triển mạnh ởnhững năm gần đây, đặc biệt là sau đại chiến Thế Giới lần thứ 2.Hiện nay hầu hết các nớc công nghiệp tiên tiến trên Thế Giới đã xâydựng hàng nghìn nhà máy công suất lớn để chế biến khí tự nhiên

và khí dầu mỏ Sở dĩ ngành công nghiệp này phát triển mạnh nhvậy vì những nguyên nhân sau:

ở nhiều nớc trên Thế Giới đặc biệt là Liên Xô, và một số nớc kháctìm thấy nhiều mỏ khí thiên nhiên, khí dầu mỏ có trữ lợng lớn nên

đó là nguồn nguyên liệu rẻ tiền giá thành hạ Sản phẩm thu đợc từquá trình chế biến khí tự nhiên và dầu mỏ có chất lợng cao nhờchế độ kỹ thuật ở đây khống chế khá chặt chẽ

Quá trình chế biến khí tự nhiên, khí dầu mỏ đợc tiến hànhtrong một pha gọi là pha khí nên rất dễ cơ khí hoá và tự động hoá,năng suất lao động cao

Khí dầu mỏ, khí tự nhiên là những nguyên liệu rất quý đẻ sảnxuất các hợp chất hữu cơ và một phần các hợp chất vô cơ quantrọng cho nền kinh tế quốc dân và quốc phòng đó là nguồnnguyên liệu quý giá nhất cho tổng hợp hoá học

Sấy khô nhằm để tách nớc là quá trình quan trọng để tách khí,thu đợc khí khô trớc khi đợc chế biến sâu hơn, sấy khí là quátrình đợc sử dụng đầu tiên trong dây chuyền công nghệ chế biếnkhí

Phần I : Tổng quan

Chơng I : Phần lý thuyết cơ bản.

I.1 Khái niệm chung về sấy khí.

Khí đồng hành và khí tự nhiên khai thác từ lòng đất thờng bãohoà hơi nớc, hàm lợng hơi nớc phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ,thành phần hoá học của khí Mỗi một giá trị nhiệt độ, áp suất sẽ t-

ơng ứng với hàm lợng hơi nớc cực đại có thể có nhất định Hàm lợng

ẩm tơng ứng với hơi nớc bão hoà tối đa gọi là cân bằng ngời taphân chia độ ẩm của không khí thành độ ẩm tơng đối và tuyệt

đối Độ ẩm tuyệt đối của không khí là khối lợng hơi nớc có trongmột đơn vị thể tích hoặc đơn vị khối lợng khí (đo bằng g/m3

hoặc g/Kg khí) Độ ẩm tơng đối là tỷ lệ giữa khối lợng hơi nớc cótrong hỗn hợp khí và lợng hơi nớc cực đai có thể có trong thể tíchkhí đã cho dới các điều kiện bão hoà (đo bằng phần trăm hay phần

đơn vị) Nếu giảm nhiệt độ của khí có chứa hàm lợng ẩm bão hoàcực đại, giữ ở áp suất không đổi thì một phần hơi nớc sẽ ngng tụ

đợc gọi là điểm sơng của khí tại một áp suất nhất định

Nhằm xác định hàm lợng ẩm cân bằng của khí thiên nhiên ngời

ta sử dụng:

- Quan hệ giữa áp suất riêng phần và thành phần lỏng hơi

- Sử dụng các đờng cong thực nghiệm phụ thuộc của hàm

ẩm vào nhiệt độ và áp suất

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

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

Thông thờng ngời ta sử dụng các đồ thị biểu diễn sự phụ thuộchàm lợng ẩm của khí thiên nhiên vào nhiệt độ (tỷ trọng của khí sovới không khí là 0,6) Khi tỷ trọng của khí lớn hơn 0,6 và khi có cácmuối ở trong nớc thì hàm lợng ẩm suy ra từ đồ thị này cần phảinhân tơng ứng với hệ số C1 (hoặc C2) Khi tỷ trọng khí và hàm lợng

muối tăng thì lợng ẩm trong khí sẽ giảm (ở những điều kiện gầngiống nhau) Một số yếu tố khác cũng ảnh hởng đến hàm lợng ẩmcân bằng trong khí nh sự có mặt của propan, các hydro-cacbonnặng: H2S, CO2, N2, sự hiện diện của H2S và CO2 làm tăng hàm lợng

ẩm, còn N2 lại làm giảm Vì vậy nếu trong khi có một lợng lớn cáckhí hydro-cacbon nặng: CO2, H2S thì lợng ẩm tính theo đồ thị cóthể khác xa so với thực tế Khi lợng H2S trong khí thấp hơn 20% thìgiá trị hàm lợng ẩm cân bằng có thể xác định theo Sherm vàKempbel (sai số cực đại không quá 6%)

Hàm lợng hơi nớc trong khí đồng hành và khí thiên nhiên cầnphải biết vì hơi nớc có thể bị ngng tụ trong các hệ thống côngnghệ sử lý khí sau này, kết quả tạo các điều kiện hình thành cáchydrat (các chất tinh thể rắn) dễ đóng cục chiếm các khoảngkhông trong ống dẫn hay các thiết bị, phá vỡ điều kiện làm việcbình thờng đối với các dây chuyền khai thác, vận chuyển, chếbiến khí Ngoài ra sự có mặt của hơi nớc và các hợp chất chứa luhuỳnh (H2S và các chất khác) sẽ là tiền đề thúc đẩy sự ăn mòn kimloại, làm giảm tuổi thọ, thời gian sử dụng của các thiết bị, côngtrình

Ngoài ra điều kiện hình thành các hydrat còn phụ thuộc vàohàm lợng của muối vô cơ trong nớc, hàm lợng của chúng tăng sẽ dẫn

đến giảm nhiệt độ bắt đầu tạo thành hydrat Nhiệt độ này củngphụ thuộc vào các thành phần của khí Ví dụ: Nhiệt độ bắt đầu

tạo thành hydrat của metan khi có mặt propan, H2S và CO2 sẽ thấphơn so với khi vắng mặt những chất này.

Nh vậy với nhũng tác hại của hàm lợng hơi nớc trong khí nói ở trênthì để giải quyết những vấn đề có hại nh vậy ngời ta đa phơngpháp sấy khô khí nhằm tách hơi nớc trong khí để ngăn ngừa sựhình thành các hydrat, sử dụng rộng rãi phơng pháp ức chế - là ph-

ơng pháp đa vào dòng khí các chất khác nhau (gọi là chất ức chế)làm hạ nhiệt độ tạo thành hyđrat nh metanol, glycol phơng phápsấy khô (tách nớc) khí dựa trên cơ sở tách nớc ra khỏi khí bằng cácchất hấp thụ lỏng hoặc rắn Trong hai phơng pháp trên thì

sử dụng phơng pháp sấy khô vì nó dễ tiến hành, dễ thao tác, thiết

bị đơn giản…(IV - 89)

I.2 Nguyên tắc của phơng pháp sấy khô khí.

Khí đợc sấy khô nhằm mục đích tách hơi nớc và tạo cho khí cónhiệt độ điểm sơng theo nớc thấp hơn so với nhiệt độ cực tiểu màtại đó khí đợc vận chuyển hay chế biến

Nguyên tắc chung là ngời ta dùng các dung môi lỏng hoặc rắn

để hấp thụ hơi nớc, hơi nớc sẽ bị ngng tụ rồi tách khỏi khí dới nhữngdạng sơng Còn khí khô thì thoát ra trên đỉnh tháp hấp thụ, quátrình sấy khí thờng dùng các dung môi để hấp thụ hoặc hấp phụhơi nớc

I.3 Các phơng pháp sấy khô khí :

Trong công nghệ chế biến khí, có nhiều phơng pháp làm giảmhàm lợng ẩm có trong khí đợc sử dụng sao cho áp sất riêng phần củahơi nớc nhỏ hơn áp suất hơi bão hoà của hydrat Nhng trong đa sốtrờng hợp nếu chỉ làm lạnh sẽ không đủ và khó điều khiển quátrình Hiện nay các phơng pháp hấp thụ và hấp phụ rất phổ biến

I.3.1 Sấy khô khí bằng phơng pháp hấp phụ.

Khi cần phải sấy khí đến độ hạ điểm sơng tới 1000C ữ 1200C

và yêu cầu khí sau khi sấy có điểm sơng rất thấp - 600C ữ - 900C,ngời ta sử dụng phơng pháp hấp phụ Trong công nghiệp chế biếnkhí ngời ta thờng dùng silicagel, ôxit nhôm hoạt tính, boxit hoạttính, zeolit 4A và 5A Các chất hấp phụ đều có bề mặt riêng lớn200…800 m2/g Điểm sơng của khí sản phẩm sau khi sấy phụ thuộcvào chất hấp phụ đã chọn và công nghệ đã thiết kế Khi tính toánthiết kế sơ đồ công nghệ sử dụng giá trị điểm sơng có thể đạt

đợc với các chất hấp phụ thờng dùng nh sau :

Chất hấp thụ Điểm sơng của khí sau

khi sấy Silicagel

-600C (-760F)Oxit nhôm hoạt tính -730C (-1000F) Zeolit (rây phân

tử)

-900C (-1300F)

Sơ đồ công nghệ sấy khí bằng phơng pháp này đơn giản nhấtbao gồm hai tháp Nhng trong thực tế công nghiệp ngời ta sử dụnghai hoặc ba tháp, tháp thứ nhất làm nhiệm vụ hấp phụ, tháp thứ hailàm nhiệm vụ nhả hấp phụ, tháp thứ ba làm lạnh chất hấp phụ saukhi tái sinh Trong nhiều trờng hợp có thể có bốn tháp, trong đó haitháp thực hiện hấp phụ, một tháp tái sinh và một tháp làm nguội.Các tháp này làm việc luân phiên cho phép thực hiện quá trình sấykhí liên tục.

Trong quá trình làm việc, khả năng hấp phụ của chất hấp phụ bịgiảm dần do tạo cốc trên bề mặt, đặc biệt lớp trên cùng bị giảmhoạt tính nhanh nhất Vì vậy sau một thời gian cần phải thay chấthấp phụ mới (khoảng từ 2 ữ 5 năm, tuỳ thuộc vào bản chất và điềukiện làm việc đối với từng chất hấp phụ) (I - 112)

I.3.2 Sấy khí bằng phơng pháp hấp thụ.

Sấy khí bằng phơng pháp hấp thụ đợc sử dụng rộng rãi để sấykhô khí tại các công trình ống dẫn khí cũng nh trong các nhà máychế biến khí Chất hấp thụ sấy khô là những dung dịch đậm đặccủa mono-, đi-, và trietylenglycol

Sự sấy khô khí bằng các chất hấp thụ này dựa trên sự khác biệt

về áp suất riêng phần của hơi nớc trong khí và trong chất hấp thụ.Giá trị điểm sơng của khí, về nguyên tắc đợc đảm bảo bằngdung dịch của các glycol

Phơng pháp này có sơ đồ thiết bị đơn giản, dễ tính toán thiết

kế, dễ vận hành, quá trình liên tục nên có thể tự động hoá giáthành thiết bị thấp, ít tiêu hao tác nhân sấy khí, các chất hấp thụ

dễ chế tạo Các rợu hai chức này hoà tan hoàn toàn trong nớc với bất

kỳ tỷ lệ nào, các dung dịch này không ăn mòn, cho phép dùng kimloại rẻ tiền để chế tao thiết bị Một tính chất quan trọng của glycol

là khả năng làm giảm nhiệt độ đông đặc của dung dịch nớc vàtrên hình 1 (phụ lục) là các đờng cong nhiệt độ đông đặc củacác dung dịch glycol có nồng độ khác nhau Tính chất này chophép có thể dùng dung dịch nớc của các glycol làm chất hấp thụ nớc

ở nhiệt độ âm

Ký hiệu dùng trong đồ thị:  etylenglycol

 - trietylenglycol - dietylenglycol Khi cần sấy một lợng khí tơng đối lớn thì dùng phơng pháp hấpthụ, dùng dietylenglycol (DEG) và trietylenglycol (TEG) là kinh tếhơn nhất, cả về vốn đầu t và tiêu tốn năng lợng (I - 116)

Các yêu cầu của dung môi hấp thụ :

Các chất hấp thụ dùng để sấy khí phải đáp ứng những yêu cầusau (I - 116):

- Có khả năng hấp thụ hơi nớc trong khoảng rộng nồng độ, ápsuất, nhiệt độ

- Có áp suất hơi bão hoà thấp để mất mát trong quá trình là ítnhất.

- Nhiệt độ sôi khác nhiệt độ sôi của nớc để dễ dàng tách nớc(dễ dàng nhả hấp thụ để tái sinh dung môi)

- Độ nhớt thấp đảm bảo tiếp xúc tốt với hỗn hợp khí trong thiết

bị hấp thụ, thiết bị trao đổi nhiệt

- Có độ chọn lọc cao đối với các cấu tử có mặt trong khí, nghĩa

là khả năng hấp thụ hơi nớc cao, đồng thời khả năng hoà tanthấp các hydro-cacbon có trong khí

- Tính ăn mòn kém

- Khả năng tạo bọt kém khi tiếp xúc với dòng khí

- Có độ bền nhiệt và bền oxi hoá cao

- Không độc hại cho ngời làm việc, không gây ô nhiễm môi ờng

tr Giá thành rẻ

Những chất hấp thụ thoã mãn yêu cầu trên đợc sử dụng phổ biến

là glyxerin, các glycol nh etylenglycol (EG), dietylenglycol (DEG),propylenglycol (PG), trietylenglycol (TEG)… Glyxerin đã đợc sử dụng

từ năm 1929 Etylenglycol đợc sử dụng trong công nghiệp đầu tiênvào năm 1936 Dới đây là một số u, nhợc điểm của từng loại chấthấp thụ - sấy khô (IV - 97):

Chất hấp thụ u điểm Nhợc điểm

Dietylenglycol

(DEG)

- Độ hút ẩm cao, khá

bền khi có mặt các hợpchất lu huỳnh, oxi và cacbonic ở nhiệt độ thờng dung dịch đậm

đặc không bị đông

đặc

- Tiêu hao do thất thoát cao hơn so vớitrietylenglycol Khi tái sinh khó thu đợcdung dịch có nồng

độ DEG > 95%

Điểm sơng thấp hơn so với khi sử dụng

trietylenglycol Giá thành cao

Trietylenglycol

(TEG)

- Độ hút ẩm cao Tạo

đ-ợc điểm sơng cho khí sấy cao (27,80C ữ

47.30C) Độ bền cao khi

có mặt các chất lu huỳnh, oxi, cacbonic ở nhiệt độ bình thờng

- Đòi hỏi chi phí

đầu t cao, có khả năng tạo màng khi

có mặt các chất lỏng hydro-cacbon nhẹ, độ hoà tan của hydro-cacbob

Khi tái sinh dễ dàng thu đợc dung dịch nồng độ cao > 99%

Dung dịch nồng độ cao không bị đông

đặc Độ bay hơi của TEG < DEG

trong TEG cao hơn

- Độ thất thoát lớn hơn so với khi sử dụng TEG chỉ sử dụng để sấy khô

và làm sạch các khí

có tính axit Dễ gây ăn mòn kim loại ở nhiệt độ tái sinh, điểm sơng của khí thấp

Etylenglycol (EG) - Chất hấp thụ này có

nhiệt độ đông đặc thấp, khả năng ngăn ngừa sự tạo thành hydrat cao nhất

- Độ hoà tan của cáchyđrocacbon trongchất hấp thụ EG cao hơn so với DEG vàTEG, áp suất hơi cao hơn do đó khảnăng mất mát trongquá trình làm việc lớn

Propylenglycol

(PG)

- PG có hai đồng phân, đồng phân 1,2-PG; 1,3- PG; Đồng phân1,2-PG dùng làm chất hấp thụ sấy khí tốt, giá

thành rẻ hơn DEG và TEG, nhiệt độ đông

đặc rất thấp (- 600C)

Cho phép sử dụng ở những vùng giá lạnh

- Độ hoà tan cacbon trong chất hấp thụ cao hơn DEG, có khả năng tạo bọt, độ chọn lọc không cao

So sánh qua u, nhợc điểm của các chất hấp thụ thì việc lựachọn dung môi hấp thụ DEG là u việt hơn cả vì giá thành cao nhng

nó rất bền đối với các tạp chất cơ học có mặt trong khí và nó có áp

lớn hơn nhiệt độ sôi của nớc, nó không bị đông đặc và điều quantrọng là không tạo màng Độ hoà tan của hyđrocacbon trong DEGthấp hơn Vì vậy sử dụng dung môi DEG trong quá trình sấy khôkhí bằng phơng pháp hấp thụ là kinh tế, phạm vi rộng có thể sấymột lợng khí tơng đối lớn.

Chơng II : Hấp thụ - sấy khô khí bằng dung môi

Dietylenglycol.

II.1 Một số tính chất hoá lý của dung môi Dietylenglycol

Các glycol là những dung môi lỏng (hay các rợu đa chức) dùngtrong quá trình sấy khí nhằm mục đích tách ẩm (hay hút nớc)trong khí, các dung môi sử dụng nh : DEG, PG, TEG, EG…Glyxerin

Những chất hấp thụ trên đều có những u, nhợc điểm riêng nhngtrong các chất hấp thụ trên thì ta dùng chất hấp thụ - sấy khô khí làhiệu quả nhất cả về vốn, đầu t và năng suất

Một số tính chất hoá lý của dung môI DEG (I-117, VIII-336):

Khối lợng phân tử:

106,12

Tỷ trọng tơng đối: ρ 20

20 1,118

Nhiệt dung riêng: 2,09 Kj/Kg0c

áp suất hơi, at, 250C: 0,01

Chỉ số khúc xạ, 250C: 1,446

Chỉ số axit, mg của KOH/g: < 0,05

Sự tuyển ớt (tuyển khoáng), wt%: < 0,02

Tỷ nhiệt, 250C: 0,05

Điểm cháy, 0C: 138Nhiệt độ bốc cháy, 0C:

143

Điểm sôi, 760mmHg,0C: 244,8 Điểm sôi, 760mmHg,0F:

Sức căng bề mặt, N/m2 (200C): 4.85

Độ nhớt ở 200C : 36,0 áp suất hơi ở 200C, Pa: 2,7

Giới hạn nổ thấp: 0,7

Nhiệt độ điểm cháy của hydro-cacbon 9,29

Cao nhất ở 250C:

Những đặc trng của DEG :

DEG có độ hoà tan hydro-cacbon thấp, khả năng tạo bọt kém ởnhững áp suất cao ngời ta hay dùng DEG vì có độ chọn lọc cao Độhoà tan của khí tự nhiên trong TEG cao hơn 25% ữ 30% so với DEG.Trong quá trình sấy khí mất mát glycol khoảng 0,25 ữ 0,75 lít trên

1000 lít chất lỏng ngng tụ, do sự hoà tan của glycol trong pha ngng

tụ phụ thuộc vào thành phần khí đa vào sấy

Nhiệt độ đông đặc của DEG thấp (- 400C) có thể sử dụng đợc

ở những vùng có điều kiện khí hậu thay đổi Độ nhớt của dungdịch DEG trong nớc tăng lên với sự tăng nồng độ và độ nhớt củadung dich giảm đi khi tăng nhiệt độ

Trong thực tế có trờng hợp cần sấy khí ở nhiệt độ thấp, khi đódung dịch DEG trong nớc có độ nhớt rất cao, chúng trở nên quánh lạilàm giảm khả năng tiếp xúc, trao đổi giữa dung dịch DEG và khí

ẩm DEG chỉ sử dụng đợc ở nhiệt độ cao hơn -100C, nhiệt độ dới-100C có độ nhớt rất cao, khó tách khỏi pha lỏng nếu có dầu trong

đó Còn khi nhiệt độ vào khoảng -80C ữ - 70C thì DEG trở thànhchất rắn Vì vậy, để giảm độ nhớt của dung dịch DEG ngời tathêm các dung môi hữu cơ Các dung môi này cũng đồng thời làmchất sấy và không có khả năng tạo bọt nh rợu, benzylic, phenyletylic,

các rợu thơm, rợu thẳng… Các chất này đều có độ nhớt nhỏ hơnDEG tan tốt trong DEG (I-121).

Dới đây đa ra giới hạn nồng độ cho phép của dung dịch DEG (%khối lợng) cần phải duy trì trong hệ ở các nhiệt độ khác nhau (IV-96):

-22,30C 48 ữ 91 -28,90C 51 ữ 88 -34,40C 56 ữ 85 -45,60C 51 ữ 88

Trong thực tế ngời ta sử dụng rộng rãi nồng độ DEG là 60% ữ 80%khối lợng

II.2 Cơ sở hoá lý của quá trình.

Dietylenglycol ( DEG ) là một loại rợu đa chức có công thức phân

tử là C4H10O3

( CH2OH-CH2O-CH2-CH2OH ) nó là một loại rợu gồm hai nhóm OH vàmột liên kết ete, nó tan vô hạn trong nớc sau đó độ tan giảm nhanhkhi nồng độ tăng Khi tan trong nớc nó hình thành liên kết Hydrogiữa DEG và nớc

… H-O … H-O … H-O …

R H R

Nhiệt độ sôi của DEG lớn hơn nhiệt độ sôi của hydro- cacbon

t-ơng ứng vì giữa các phân tử xuất hiện liên kết hydro bền vữngvì vậy nó dễ dàng hấp thụ nớc Quá trình sấy khí bằng DEG dựatrên những tính chất vật lý của DEG ( vì đây là hấp thụ vật lý )

nh nhiệt độ đông đặc, áp suất hơi bão hoà, nhiệt độ tiếp xúc,

độ nhớt, độ hạ nhiệt độ tạo hydrat đối với nồng độ DEG đã cho,nhiệt độ tái sinh, khả năng bền oxy hoá, độ chọn lọc…

Quá trình hấp thụ dựa trên sự hoà tan của khí trong lỏng, nhiệt

độ điểm sơng, nhiệt độ và áp suất tiếp xúc, hàm ẩm…

II.2.1 Độ hoà tan của khí trong lỏng.

Khí hoà tan trong lỏng sẽ tạo thành hỗn hợp hai cấu tử, có haithành phần và hai pha Hệ thống nh vậy theo định luật pha ( φ =

2, k = 2, C = 2+2-2 = 2 ) đợc coi nh hỗn hợp lỏng có hai thành phần.Cân bằng pha đợc xác định bằng áp xuất, nhiệt độ và nồng độ.Nếu nhiệt độ không đổi thì độ hoà tan phụ thuộc vào áp suất

Sự phụ thuộc này đợc biểu diễn bằng định luật Henry (X-74):

ycb = m.x ;

Đối với khí lý tởng thì :

m : hằng số dùng để biểu diễn quan hệ ycb = f(x) là đờngthẳng.

Hàm ẩm là lợng hơi nớc có trong khí cần sấy khô, và hàm lợng ẩm

có trong hỗn hợp khí phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và thànhphần hỗn hợp khí Tại mỗi giá trị áp suất và nhiệt độ có thể xác

định đợc hàm ẩm tối đa của hỗn hợp khí Hàm ẩm tơng ứng vớitrạng thái khí bão hoà hơi nớc đợc gọi là hàm ẩm cân bằng hay còngọi là độ ẩm cân bằng

Để biểu diễn hàm lợng hơi nớc có trong hỗn hợp khí ngời ta sửdụng hai khái niệm: độ ẩm tơng đối và độ ẩm tuyệt đối, độ ẩmtuyệt đối là lợng hơi nớc có trong một đơn vị thể tích hoặc một

đơn vị khối lợng khí đợc biểu diễn bằng g/m3 hoặc là g/Kg khí

Độ ẩm tơng đối là tỷ lệ giữa khối lợng hơi nớc có trong khí vàkhối lợng hơi nớc tối đa có thể có trong khí ở điều kiện bão hoà.Nếu giảm nhiệt độ khí bão hoà hơi nớc còn ở áp suất không đổi,thì một phần hơi nớc bị ngng tụ Nhiệt độ tại đó hơi nớc có trong

khí bắt đầu ngng tụ đợc gọi là điểm sơng của khí tại áp suất đãcho (I-77).

II.2.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ điểm sơng của hỗn hợp khí vào nhiệt độ tiếp xúc với dung dịch DEG.

Trên hình 2 (phụ lục) biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ điểm

s-ơng của khí vào nồng độ dung dịch DEG và nhiệt độ tiếp xúc Từgiản đồ ta thấy rằng dung dich DEG nồng độ 95% khi tiếp xúc vớikhí ở 200C có khả năng giảm nhiệt độ điểm sơng của khí tới -50C,còn dung dịch 98% ở cùng nhiệt độ có khả năng giảm điểm sơngcủa khí tới -130C Nh vậy, nồng độ dung dịch DEG càng cao, mức

độ sấy khí càng cao, tức là khí sau khi sấy có nhiệt độ điểm

s-ơng càng thấp (I-118)

Độ hạ điểm sơng ∆T cho biết mức độ sấy khí của chất hấp thụtrên hình 3 (phụ lục) là đồ thị mô tả độ hạ điểm sơng phụ thuộcvào nồng độ dung dịch DEG và nhiệt độ tiếp xúc của dung dịchkhí ẩm Nhờ đồ thị này có thể xác định đợc độ hạ điểm sơng ∆Tkhi biết nồng độ dung dịch DEG và nhiệt độ tiếp xúc

Độ hạ điểm sơng ∆T với dung dịch DEG có nồng độ 98%, nhiệt

độ tiếp xúc là 270C, có khả năng hạ điểm sơng của hỗn hợp khíxuống ∆T = 160C, nghĩa là nếu hỗn hợp khí ẩm ban đầu có nhiệt

độ điểm sơng là 60C thì sau khi sấy sẽ có điểm sơng là - 100C Độ

hạ điểm sơng còn phụ thuộc vào lu lợng tới của dung dịch DEG 119).

(I-II.2.4 Sự phụ thuộc áp suất hơi bão hoà của dung dịch DEG vào nhiệt độ.

Trên hình 4 (phụ lục) là đồ thị biểu diễn áp suất hơi bão hoà cảdung dịch nớc DEG có nồng độ khác nhau Nhờ đồ thị này có thểxác định đợc nhiệt độ sôi của dung dịch DEG ở các áp suất khácnhau ở áp suất 760mmHg nhiệt độ sôi của dung dịch 98% DEG là

1820C, ở áp suất 300mmHg nhiệt độ sôi của dung dịch đó là

1460C Nhiệt độ bắt đầu phân huỷ của DEG là 1640C Vì vậy đểtái sinh DEG cần phải thực hiện ở áp suất thấp dới áp suất khíquyển (tháp nhả hấp thụ cần làm việc ở điều kiện chân không).Trong khi đó TEG bắt đầu phân huỷ ở nhiệt độ là 2060C, vì vậytái sinh TEG ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tái sinh đối với DEG vàkhông cần chân không (I-120)

II.2.5 ảnh hởng của lợng dung môi đến quá trình hấp thụ.

Để xem xét vai trò của dung môi trong hấp thụ, ngời ta dự vàophơng trình chuyển khối chung và phơng trình đờng nồng độlàm việc

Theo phơng trình chuyển khối, lợng hấp thụ đợc tính:

G = Ky ì F ì ∆Ytb (VI - 77);

Trong đó:

1a a a a

nhỏ nhất Đờng BA gần song song với trục tung, nên động lực trungbình là lớn nhất Vì F ì ∆Ytb không đổi nên ứng với đờng BA4 cho

ra F lớn nhất và ứng với đờng AB có F bé nhất Tơng tự, tại A4 có XC

lớn nhất và tại A có XC bé nhất

Nếu chọn lợng dung môi ít nhất ta thu đợc XC lớn, nhng thiết bịphải rất lớn (vô cùng cao) Trái lại, nếu chọn lợng dung môi lớn thìthiết bị bé Những dung dịch thu đợc quá loãng thì XC bé, do đókhi chọn điều kiện làm việc ta phải dựa vào chỉ tiêu kinh tế - kỹthuật (VI-77)

II.3 Công nghệ sấy khí bằng chất hấp thụ DEG

ở các thiết bị công nghiệp, sự sấy khô khí đén điểm sơngcân bằng là không thể thực hiện đợc vì khí chỉ tiếp xúc với DEG

có nồng độ tính toán tại mâm trên cùng, còn ở mâm dới nồng độcủa DEG sẽ giảm đi do sự hấp thụ hơi nớc Do đó trong các thiết bịcông nghiệp điểm sơng của khí sấy sẽ cao hơn từ 50C ữ 110C so với

điểm sơng cân bằng Thông thờng sự sấy khí bằng DEG đợc thựchiện đến điểm sơng không thấp hơn -250C ữ -300C Muốn sấytriệt để hơn thì cần dung dịch DEG đậm đặc hơn, khi đó sẽphát sinh khó khăn (sẽ gia tăng sự tiêu hao DEG cùng với khí khô) Đểthu nhận DEG có nồng độ cao hơn ở các thiết bị sấy khô, quátrình tái sinh chất hấp thụ cần phải tiến hành với sự có mặt củakhí trơ ( IV-120)

II.3.1 sơ đồ nguyên tắc công nghệ sấy khô khí bằng DEG (I

- 121).

Sơ đồ nguyên lý công nghệ sấy khí bằng DEG hình 5 (phụ lục).Các thiết bị trong sơ đồ nguyên tắc công nghệ sấy khí bằng DEG.Thùng chứa 1

Tháp hấp thụ 2

Tháp nhả hấp thụ 3

Thiết bị trao đổi nhiệt 4

Thiết bị đun sôi đáy tháp 5

Thiết bị làm lạnh 6

Tháp tách 7

khí đa vào sấy I

khí sau khi sấy II

Dung dịch DEG III

Dung dịch DEG bão hoà hơi nớc IV

Nớc đa đi tới V

Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Khí đa vào sấy đang ẩm đa vào thùng chứa 1 khí ẩm đợc đavào phần dới của tháp hấp thụ 2 và dòng khí đi từ dới lên, còn dungdịch DEG đậm đặc thì đa vào mâm trên của thiết bị này, đợc t-

ới từ trên xuống, hơi nớc bị dung dịch DEG hấp thụ, quá trình này

đợc tiến hành trong khoảng nhiệt độ là 200C, áp suất 2 ữ 6 MPa.Khí đã đợc sấy khô II sẽ đi ra từ phía trên đỉnh của tháp hấp thụ,còn dung dịch DEG đã hấp thụ nớc đợc lấy ra từ phía dới Khí sấykhô sau đó đợc đa đi sử dụng DEG đã hấp thụ nớc qua thiết bịtrao đổi nhiệt 4 đợc đun nóng sơ bộ đi vào giữa tháp nhả hấp

thụ 3 Hơi nớc giải phóng đi lên phía trên tháp và đợc ngng tụ ởthiết bị làm lạnh 6 Một phần hơi nớc ngng tụ đợc quay trở lại tới ở

đĩa trên cùng của tháp nhả hấp thụ Phần dới của tháp nhả hấp thụ

đợc đốt nóng Dung dịch DEG sau khi tái sinh chứa từ 1% ữ 5% nớc,

đợc làm nguội nhờ thiết bị làm lạnh 6 và quay trở lại tháp hấp thụ 2

Quá trình nhả hấp thụ đợc thực hiện ở nhiệt độ cao nhngkhông đợc cao hơn 1700C vì nhiệt độ phân huỷ của DEG là

1640C Nếu cao hơn thì DEG sẽ bị phân huỷ

II.3.2 sơ đồ nguyên tắc công nghệ hấp thu - Sấy khô khí với sự tái sinh chân không DEG (IV - 100).

Hình 6 (phụ lục) trình bày nguyên tắc công nghệ hấp thụ - sấykhô khí với sự tái sinh chân không DEG

Sơ đồ công nghệ bao gồm các thiết bị sau:

Thiết bị hấp thụ 1

Bồn chứa chất lỏng ngng tụ 12

Thiết bị tái sinh hơi 13

Bơm chân không 14.

Khí ẩm I

Khí đã sấy khô II

DEG tái sinh III

DEG bão hoà IV

Hơi nớc và khí V

Hồi lu VI

Khí thổi VI

Khí thải ra khí quyển VIII

Thuyết minh dây chuyền công nghệ:

Khí ẩm đi vào phía dới của thiết bị hấp thụ 1 Còn DEG đậm

đặc đợc bơm vào mâm trên cùng của thiết bị này Khí sấy khôsau đó đợc đi ra từ phía trên, còn phía dới đi ra là DEG đã bão hoàhơi nớc Để tái sinh, dung dịch DEG trong nớc đợc đun nóng trongthiết bị trao đổi nhiệt 5 Sau đó đi vào thiết bị thổi khí 6 đểtách hydro-cacbon Tiếp theo sẽ đi qua thiết bị trao đổi nhiệt 7 và

đi vào phần giữa của thiết bị giải hấp 9 có áp suất 10KPa ữ 13KPa.Nhờ hơi nớc trong thiết bị tái sinh hơi 13, nhiệt độ của phần đáythiết bị đợc duy trì trong khoảng 1900C ữ 2040C DEG tái sinh đợclấy ra từ phía dới của thiết bị giải hấp bằng bơm 8, sau đó quathiết bị trao đổi nhiệt 5 và 7, đợc làm lạnh trong thiết bị 4 rồi đivào thùng chứa 3 Từ đây bằng bơm 2 đợc đa vào phía trên thiết

bị hấp thụ 1, ở nhiệt độ của thiết bị hấp thụ 300C thì điểm sơngcủa khí giảm xuống từ -180C ữ - 250C

Để thu đợc DEG có nồng độ hơn 99% khối lợng, ngoài phơngpháp tái sinh chân không còn sử dụng rộng rãi phơng pháp thổi khí(stripping gas) cho phép tăng nồng độ DEG đến 99,5% ữ 99,9%.Khí thổi này là khí sạch (không chứa xăng và các chất hữu cơ) đợc

đa vào thiết bị tái sinh hơi hoặc đợc trực tiếp đa vào phần dới củathiết bị giải hấp Tác dụng của khí thổi là giảm áp suất hơi nớc trên

bề mặt dung dịch, do vậy thúc đẩy sự bốc hơi của nớc từ dungdịch

II.3.3 sơ đồ nguyên tắc công nghệ sấy khô khí bằng DEG với sự bổ sung DEG

(IV – 99).

Hình 7 (phụ lục) trình bày sơ đồ nguyên tắc công nghệ sấykhô khí bằng DEG

Các thiết bị trong công nghệ bao gồm:

Thiết bị hấp thụ 1

Thiết bị trao đổi nhiệt 2; 4

Thiết bị thổi khí 3

Thiết bị nhả hấp thụ 5

Thiết bị tái sinh hơi 6

Thiết bị sinh hàn 7

Bồn chứa DEG 8

Bơm 8

Khí ẩm I

Khí đã sấy khô II.

Khí thổi ra III

Hơi nớc đi vào khí quyển IV

DEG bổ sung V

DEG tái sinh VI

Thuyết minh dây chuyền công nghệ:

Khí ẩm đợc đa vào phần dới của thiết bị hấp thụ 1, còn dungdịch DEG đậm đặc thì đa vào mâm trên cùng của thiết bị này.Khí sấy khô sẽ đi ra từ phía trên của thiết bị, còn DEG đã hấp thụhơi nớc thì đi ra từ phía dới của thiết bị Khí sấy khô sau đó đợc

đa đi sử dụng, DEG hấp thụ hơi nớc tiếp tục đợc đun nóng trongthiết bị trao đổi nhiệt 2 và đi vào hệ thống thổi khí 3, tại đây

sẽ tách phần hydro-cacbon đã hấp thụ Tiếp theo DEG đợc đun nóngtrong thiết bị trao đổi nhiệt 4 và thiết bị nhả hấp thụ 5 Từ phíatrên của thiết bị 5 sẽ lấy ra hơi nớc, phần còn lại phía dới chính làDEG tái sinh đợc làm nguội trong thiết bị trao đổi nhiệt 4 , 2 vàsinh hàn 7, đi vào bồn chứa 8, từ đây bằng bơm 9 sẽ đi vào thiết

bị hấp thụ 1 (bồn chứa 8 sẽ đợc bổ sung một lợng DEG khi cầnthiết)

Nhiệt độ giới hạn trên của quá trình hấp thụ khí đợc xác địnhbằng sự tiêu hao cho phép của DEG do bay hơi, trong thực tế nhiệt

độ này vào khoảng 380C Còn giới hạn dới phụ thuộc vào sự giảm khả

năng hút ẩm của chất hấp thụ DEG gây ra bởi sự tăng độ nhớt củaDEG Nhiệt độ cực tiểu tiếp xúc đối với DEG vào khoảng 100C.

Nồng độ DEG là yếu tố ảnh hởng mạnh nhất đến điểm sơngcủa khí, khi tăng nồng độ DEG thì độ hạ điểm sơng sẽ mạnh hơn

so với tăng tiêu hao tác nhân sấy

Phần II : Tính toán thiết kế

A - tính toán thiết kế tháp nhả hấp thụ.

Chất hấp thụ: DEG (dietylenglycol)

Khí nguyên liệu ban đầu bão hoà hơi nớc ở 350C, cần sấy đếnnhiệt độ -150C áp suất làm việc của tháp hấp thụ là 2MPa, áp suấtlàm việc của tháp nhả hấp thụ là 0,12MPa.

Trong bài này ta cần sấy khí từ nhiệt độ tiếp xúc là tx = 350C

đến nhiệt độ điểm sơng ts = - 150C

Từ nhiệt độ tiếp xúc tx = 350C, ts = -150C ta có lợng DEG cầnthiết để sấy khô khí (tra đồ thị 1- phụ lục)

Ta có x1 = 98,5% = 0,985 phần khối lợng

X1: là nồng độ khối lợng DEG đa vào hấp thụ

Từ nhiệt độ tx = 350C và áp suất P = 2MPa ta có hàm lợng ẩm củahỗn hợp khí ban đầu (tra hình 2 - phụ lục)

1 khèi lîng ph©n tö trung b×nh cña hçn hîp khÝ M x g/mol.

Ta cã b¶ng tÝnh khèi lîng ph©n tö trung b×nh cña hçn hîp khÝ sau:

B¶ng 1: Khèi l îng ph©n tö trung b×nh cña hçn hîp khÝ.

Pc’ : áp suất giả tới hạn.

Tc’ : Nhiệt độ giả tới hạn

Các thông số giả tới hạn có thể xác định theo định luật kay:

Pc’ = ∑ Pci Ci (I – 59);

Tc’ = ∑ Tci Ci (I – 59);

Trong đó:

Ci : Phần mol của cấu tử trong hỗn hợp khí

Pci , Tci : Các giá trị áp suất, nhiệt độ tới hạn của cấutử

Pc : áp suất tới hạn

Ta cã b¶ng tÝnh to¸n c¸c cÊu tö díi b¶ng sau:

B¶ng 2: C¸c th«ng sè tíi h¹n cña c¸c cÊu tö.

= 1,594

Pr’ =

632,4

P

.

0.97,0

2.722,16

Lợng ẩm tách ra trong quá trình sấy khí là:

Gọi W là lợng ẩm tách ra, vậy ta có:

4 Tính lu lợng dung dịch DEG 98,5%đa vào đĩa tiếp liệu

của thiết bị hấp thụ G gv , Kg/h.

Ggv = Ga

2 1

2

x x

x

−

Trong đó : X1, X2: Nồng độ phần khối lợng của dung dịch DEGvào và dung dịch DEG bão hoà khỏi thiết bị

Ggv = 115

97 , 0 985 , 0

97 , 0

ρ g : Khối lợng riêng của DEG ở 350C, ρ g = 1107 Kg/m3 (tra

đồ thị hình 5: quan hệ giữa tỷ trọng của dung dịch DEG với nồng

độ và nhiệt độ- phụ lục) Do đó tỷ trọng của dung dịch DEG98,5% là:

7,7436

= 6,7276 m3/h

III Tính cân bằng vật liệu của thiết bị hấp thụ.

ở thiết bị hấp thụ thì tổng lợng vật chất vào bằng tổng lợng vậtchất ra

Phơng trình cân bằng vật liệu có dạng:

Gy + Ggv = Go + Ggr

Trong đó:

Gy : Lu lợng khối lợng khí ban đầu, Kg/h

Go : Lu lợng khối lợng khí đi ra sau hấp thụ, Kg/h

Ggv : Lu lợng khối lợng dung dịch DEG ban đầu đi vào,Kg/h

Ggr : Lu lîng khèi lîng dung dÞch DEG sau khi ra khái thiÕt

273

10 1,0)

273(

.4,22

P M

z t