Đề tài Thiết kế mô phỏng công nghệ sấy khí đồng hành

hơi và pha lỏng trong hỗn hợp hai pha. Hỗn hợp khí ở trên là hỗn hợp các hydrocacbon no mạch thẳng có công thức chung CnH2n + 2 nên chúng có các tính chất hoá học tương tự như nhau, như các phản ứng oxy hoá, phản ứng thế halogen (X2), phản ứng đehdro hoá, phản ứng cracking, phản ứng phân huỷ... askt Phản ứng thế halogen X2: CnH2n + 2 + m X2 CnH2n + 2 - mXm + m HX (I) to Phản ứng oxy hoá hoàn toàn: 2 CnH2n + 2 + (3n + 1) O2 2n CO2 + 2(n +1) H2O (II) 600 - 800oC NO Phản ứng oxy hoá không hoàn toàn: CH4 + O2 HCHO + H2O (III) Phản ứng dehydro hoá xt (Fe, Ni) 600oC CnH2n + 2 CnH2n + H2 (IV) to cracking Phản ứng cracking: CnH2n + 2 CxH2x + Cn - xH2(n - x) + 2 (x < n) (V) to VD: CH4 + C3H6 C4H10 C2H4 + C3H6 to cao Phản ứng phân huỷ dưới tác dụng của nhiệt độ cao: CnH2n + 2 n C + (n +1) H2 (VI) III. Đặc điểm của hỗn hợp khí đồng hành bão hoà hơi nước: 1. Do dầu mỏ và các khí hydrocacbon được hình thành trong môi trường nước luôn nằm trong trạng thái cân bằng với nước. Do vậy, khí thiên nhiên và khí đồng hành khai thác từ lòng đất lên ở trạng thái bão hoà hơi nước. Hàm lượng nước phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và thành phần của khí. Lượng nước có trong khí có ảnh hưởng rất lớn đến chế độ công nghệ và tuổi thọ của các thiết bị vận chuyển và chế biến khí. Do vậy, khi chế biến khí ta phải xác định được. Hàm ẩm của khí. Dự đoán điều kiện tạo thành hydrat. Độ ẩm của hỗn hợp khí có thể biểu diễn qua giá trị tuyệt đối và giá trị tương đối. Độ ẩm tuyệt đối của khí là khối lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích hoặc đơn vị khối lượng khí (đo bằng g/m3 hoặc g/Kg khí). Độ ẩm tương đối là tỷ lệ giữa khối lượng hơi nước có trong hỗn hợp khí và lượng hơi nước cực đại có thể có trong thể tích khí đã cho dưới các điều kiện bão hoà (đo bằng % hay phần đơn vị). Hàm ẩm của khí phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và thành phần của khí. Mỗi một giá trị nhiệt độ, áp suất sẽ tương ứng với hàm lượng hơi nước cực đại có thể có nhất định. Hàm ẩm tương ứng với hơi nước bão hoà cực đại gọi là hàm ẩm cân bằng hay còn gọi là độ ẩm cân bằng. Nếu giảm nhiệt độ của khí có chứa hàm lượng ẩm bão hoà cực đại và giữ áp suát không đổi thì một phần hơi nước ngưng tụ. Nhiệt độ tại đó gọi là nhiệt độ điểm sương của khí. Mỗi hỗn hợp khí ứng với một trạng thái xác định (nhiệt độ, áp suất và độ ẩm) thì có một giá trị điểm sương xác định. Trong thực tế, để xác định hàm ẩm của khí người ta thường sử dụng đồ thị thực nghiệm. Các giá trị hàm ẩm thu được trên đồ thị này là các giá trị cực đại mà khí có ở một điều kiện nhất định, do vậy để sử dụng các đồ thị thực nghiệm này (hình 1) trước hết ta phải xác định được điểm sương của khí ở nhiệt độ và áp suất đã cho. Có nhiều phương pháp xác định hàm ẩm của khí, trong đó có các phương pháp sau phổ biến: Sử dụng quan hệ riêng phần và thành phần pha hơi. Sử dụng các đường cong thực nghiệm phụ thuộc của hàm ẩm vào nhiệt độ và áp suất. Hiệu chỉnh đường cong trên khi có mặt của H2S, CO2, N2... Sử dụng phương trình trạng thái PVT. Ngoài sử dụng các đồ thị thực nghiệm, cũng có thể sử dụng phương trình thực nghiệm để xác định hàm ẩm của hỗn hợp khí. Một trong những phương trình có độ tin cậy cao là phương trình thực nghiệm của các tác giả người ấn Độ. Phương trình này được xây dựng với mục đích xác định hàm ẩm của hỗn hợp khí trên máy tính: W = 593,335 x exp (0,0549)x p- 0,814x 0,000001 (9) 2. Sự tạo thành hydrat: Hydrat là những hợp chất có thể tồn tại một cách bền vững dưới dạng tinh thể. Thực chất chúng là những dung dịch rắn, trong đó các phần tử nước nhờ liên kết hydro tạo thành các khung hydrat. Trong các khoảng của khung này các phân tử khí có khả năng tạo các hydrat như metan, etan, propan, butan, nitơ, H2S, CO2, argon sẽ chiếm chỗ. Các phân tử hydrocacbon với phân tử lớn hơn iso butan sẽ không có khả năng đi vào khung hydrat, và do đó sẽ không có khả năng tạo thành hydrat. Mức độ chiếm chỗ trong khung của các phân tử khí tạo hydrat đối với thành phần khí đã cho, chủ yếu phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ của hệ. Các tinh thể hydrat hình thành trên mặt phân chia pha của hệ khí - nước. Nước tự do còn lại sau khi đã hình thành các hydrat, chỉ tiếp tục chuyển thành trạng thái hydrat khi có sự khuấy trộn các pha và khi có những điều kiện nhiệt động thích hợp. Khi không có sự khuấy trộn thì quá trình khuyếch tán của khí qua lớp màng cứng của các hydrat rất khó khăn và sự phát triển tiếp tục của các hydrat sẽ không xảy ra. Hỗn hợp khí tự nhiên dễ tạo thành hydrat hơn các cấu tử tinh khiết vì có khả năng bị gãy trong các dạng lỗ trống khác nhau, 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 rất nhỏ, nhưng chúng có thể phát triển lên thành những tinh thể lớn. Trên hình 2 là các đường cong đặc trưng cho điều kiện tạo thành hydrat của các cấu tử trong khí tự nhiên. Miền phía dưới và miền bên phải các đường này, hydrat không thể tạo thành. ở giá trị nhiệt độ nào đấy, đường cân bằng trở thành thẳng đứng, giá trị nhiệt độ đó gọi là nhiệt độ cực đại của quá trình tạo hydrat của cấu tử đó. Trên hình 3 mô tả các đặc tính của hệ propan - nước: Nhiệt độ, OC 0 5 10 15 20 25 30 30 40 50 60 70 80 90 70 50 20 10 7.0 5.0 3.0 2.0 1.0 0.7 0.5 0.3 0.2 0.1 10 000 5000 3000 2000 1000 700 500 300 200 100 70 50 30 20 10 áp suất, psia Nhiệt độ, OF áp suất, MPa Metan CO2 H2S Etan Propan ơ1-Butan ơn-Butan Hình2:Điều kiện tạo hydrat của các cấu tử trong khí tự nhiên - Khi To < OoC (32oF): ở phía trên đường cong cân bằng tồn tại cả hai dạng, nước đá và hydrat, còn ở phía dưới đường cong chỉ có nước đá và hơi. Hình 3: Điều kiện tạo hydrat của propan áp suất , MPa 1,0 0,5 0,1 0,05 -20 -15 -10 -5 0 5 10 Nhiệt độ, (OC) hơi + nước đá hơi + nước hydrat + nước đá đường áp suất hơi của propan hydrat + nước propan lỏng + nước - Khi To > OoC (32oF): ở bên trái đường cong cân bằng tạo hydrat, hydrat chỉ ở pha rắn. Nhiệt độ tại giao điểm của đường áp suất hơi và đường tạo hydrat là nhiệt độ cực đại tạo hydrat của cấu tử nguyên chất. Đường cong tạo thành hydrat của hỗn hợp khí cũng có dạng tương tự như trên có nhiều phương pháp khác nhau để xác định điều kiện bắt đầu tạo thành hydrat của hỗn hợp khí như: Sử dụng hằng số cân bằng rắn - hơi. Phương pháp trekell - campbell. Sự tạo thành có thể bịt kín đường ống dẫn, gây khó khăn cho việc vận chuyển khí và ảnh hưởng đến quá trình làm việc của bơm và các thiết bị khác. Để ngăn ngừa sự tạo thành hydrat người ta có thể sử dụng phương pháp ức chế hoặc các phương pháp sấy khí. Trong phương pháp ức chế người ta đưa chất ức chế vào dòng khí ẩm, chất ức chế sẽ tan trong nước tự do, kết quả làm giảm áp suất hơi và giảm nhiệt độ tạo thành hydrat. Các chất ức chế thường được sử dụng là Metanol và Glycol. IV. Các phương pháp sấy khí: Trong công nghiệp chế biến khí, có rất nhiều phương pháp sử dụng để sấy khô khí như: phương pháp ngưng tụ hơi nước ở nhiệt độ thấp, phương pháp hấp thụ và phương pháp hấp phụ... 1. Phương pháp ngưng tụ: Đây là một phương đơn giản nhất sử dụng để loại nước (hơi nước) ra khỏi hỗn hợp khí. Quá trình thực hiện của phương pháp là làm lạnh khí ẩm đến nhiệt độ cân bằng tối thiểu, hay chọn lọc hơn là làm lạnh hỗn hợp khí đến nhiệt độ dưới nhiệt độ điểm sương. Hơi nước sẽ ngưng tụ và tách ra khỏi khí dưới dạng những hạt sương. Nhưng trong thực tế có nhiều trường hợp nếu chỉ làm lạnh thôi thì không đủ và khó điều chỉnh quá trình. Phương pháp này có ưu điểm là: sơ đồ công nghệ đơn giản. Nhưng nhược điểm của phương pháp là đắt tiền, để thực hiện quá trình cần có thiết bị làm lạnh phức tạp, khi làm lạnh hỗn hợp khí ẩm đến nhiệt độ âm, thì tại nhiệt độ đó có một số cấu tử của hỗn hợp khí cũng bị ngưng tụ theo nước làm cho lượng sản phẩm thu hồi ít, dẫn đến mất mát khí trong quá trình sấy là rất lớn. Phương pháp này thường dùng để tách benzin khỏi hỗn hợp khí đồng hành với hiệu quả khá cao và triệt để. 2. Phương pháp hấp phụ: Các phương pháp hấp phụ cho phép đạt điểm sương theo ẩm trong khoảng 100 á 120oC và sấy sâu khí đến điểm sương rất thấp (- 60 á - 90oC ). Hấp phụ là quá trình tập trung các chất trên bề mặt hoặc trong không gian của các vi lỗ xốp của vật rắn. Quá trình sấy khô khí bằng các chất hấp phụ dựa vào khả năng của các vật thể rắn với cấu trúc xác định hấp phụ lượng ẩm từ khí ở nhiệt độ tương đối thấp và sau đó tách ẩm khi tăng nhiệt độ. Trong trường hợp đầu tiên xảy ra sự hấp phụ còn sau đó là giải hấp phụ. Sự kết hợp hai quá trình này trong thiết bị cho phép thực hiện tách ẩm một cách liên tục từ khí. Sự sấy khô khí là một quá trình vật lý và hiệu quả của nó phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Các chất hấp phụ - sấy khô có thể chia thành: - Bôxit là những khoáng thiên nhiên chứa chủ yếu là oxit nhôm Al2O3, oxit nhôm hoạt hoá là bôxit đã làm sạch. - Những hợp chất cấu tạo từ oxit Silic, ... các dây phân tử là các zeolit. Các đại lượng đặc trưng của các chất hấp phụ dùng để sấy khí tự nhiên và khí đồng hành được đưa trong bảng: Bảng II.4: Đại lượng đặc trưng Silicagel Oxit nhôm hoạt tính Bôxit hoạt tính Zeolit 4A và 5A Tỷ trọng (g/cm3) Tỷ trọng thực 2,1 á 2,2 3,25 3,4 Tỷ trọng xốp 0,61 á 0,72 0,8 á 0,86 0,8 á 0,83 0,69 á 0,72 Tỷ trọng biểu kiến 1,2 1,6 1,6 á 2,0 1,1 Nhiệt dung Kcal/Kg oC 0,22 0,24 0,24 0,2 Hàm lượng nước, % trọng lượng 4,5 á 7 7,0 4 á 6 Thay đổi Nhiệt độ tái sinh, oC 121 á 232 177 á 315 > 177 150 á 350 Khả năng hấp phụ hơi nước Kg nước/100 Kg chất hấp phụ 7 á 9 4 á 7 4 á 6 9 á 12 Các chất hấp phụ đều có bề mặt riêng lớn 200 á 800 m2/g. Điểm sương của khí sản phẩm sau công đoạn sấy phụ thuộc vào chất hấp phụ đã chọn và công nghệ đã thiết kế. Khi tính toán thiết kế sơ đồ công nghệ sử dụng giá trị điểm sương có thể đạt được với các chất hấp phụ thường dùng sau: Bảng II.5: Chất hấp phụ Điểm sương của khí sau khi sấy Silicagel - 60 oC (- 76 oF) Oxit nhôm hoạt tính - 73 oC (- 100 oF) Zeolit (rây phân tử) - 90 oC (- 130 oF) Sơ đồ công nghệ sấy khí bằng phương pháp hấp phụ đơn giản nhất được mô tả trên hình sau: Trong sơ đồ trên người ta sử dụng 2 tháp hấp phụ có cấu tạo hoàn toàn giống nhau. Một tháp hấp phụ còn tháp kia nhả hấp phụ (để tái sinh chất hấp phụ). Quá trình hấp phụ thực hiện ở nhiệt độ 25 á 40 oC ở áp suất 0,2 á 0,4 MPa. Quá trình khử hấp phụ để tái sinh chất hấp phụ thực hiện ở áp suất khí quyển và nhiệt độ cao tuỳ thuộc vào từng chất hấp phụ. Khi này dòng khí nóng được dẫn qua tháp khử hấp phụ. Dòng khí nóng có chứa hơi nước dẫn theo đường IV sang bộ phận tách nước ngưng tụ sau khi được đưa qua sinh hàn. Theo yêu cầu đề tài của đồ án chỉ cần sấy khí đến tođsương = - 15oC nên không cần dùng đến phương pháp hấp phụ vì giá thành chi phí cho quá trình và chất hấp phụ cao. 3. Phương pháp hấp thụ: Quá trình sấy khí bằng phương pháp hấp thụ ở nhiệt độ thường vì đây là quá trình tách hơi nước khỏi hỗn hợp khí ẩm nên không dùng ở nhiệt độ thấp vì ở nhiệt độ thấp (âm) thì các dung môi hấp thụ sẽ bị đông đặc và một số cấu tử khí cũng bị ngưng tụ làm cho quá trình tiến hành rất khó khăn. Phương pháp hấp thụ dùng dung môi hấp thụ (lỏng) loại nước ra khỏi hỗn hợp khí hấp thụ hoà tan nước vào dung môi, các dung môi hấp thụ thường dùng là dung dịch H2SO4, HCl, các dung dịch glycol. Nhưng với dung dịch H2SO4, HCl thì không dùng trong công nghiệp vì chúng sẽ gây ăn mòn thiết bị nên trong công nghiệp sấy khí thường dùng các dung dịch glycol. Phương pháp hấp thụ để sấy khí 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, giá thành thiết bị thấp, ít tiêu hao tác nhân sấy khí, các chất hấp thụ dễ chế tạo. Các loại rượu hai chức này tan hoàn toàn trong nước với bất kỳ tỷ lệ nào, các dung dịch này không ăn mòn, cho phép dùng kim loại rẻ tiền để chế tạo thiết bị. Một tính chất quan trọng của các glycol là khả năng làm giảm nhiệt độ đông đặc của dung dịch nước.(phụ lục - hình 4) Tính chất này cho phép có thể dùng dung dịch nước của các glycol làm chất hấp thụ nước ở nhiệt độ âm. Vì thế mà quá trình sấy khí bằng phương pháp hấp thụ là phù hợp đối với đề tài của đồ án. Đề tài tính toán thiết kế quá trình sấy khô khí đồng hành bằng phương pháp hấp thụ sử dụng trietylen glycol. 4. Cơ sở lý thuyết của công nghệ sấy khí đồng hành bằng phương pháp hấp thụ: Hấp thụ và nhả hấp thụ là 2 quá trình chuyển khối cơ bản được sử dụng trong quá trình tách khí đồng hành, cũng như trong quá trình sấy khí. Bản chất vật lý của quá trình là sự hình thành cân bằng giữa 2 pha khí - lỏng do sự khuếch tán của hơi nước từ pha nọ sang pha kia. Động lực của quá trình khuếch tán là sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trong khí và trong chất hấp thụ. Nếu ngược lại sẽ xảy ra quá trình nhả hấp thụ. ở mỗi giá trị nhiệt độ tương ứng với áp suất xác định, khí thiên nhiên bão hoà hơi nước có khả năng tạo các hydrat như: CH4 .5,9 H2O, C2H6 .8,2 H2O, C3H8.17H2O, iso - C4H10 .17 H2O, H2S .6,1 H2O, CO2. 6 H2O, N2. 6 H2O. Các hydrocacbon nặng hơn C4 khó có khả năng tạo hydrat. Quá trình hydrat hoá chỉ xảy ra khi áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp khí lớn hơn áp suất hơi bão hoà của hydrat. Như vậy bằng cách làm giảm hàm lượng ẩm trong khí sao cho áp suất riêng phần của hơi nước trở nên nhỏ hơn áp suất hơi bão hoà của hydrat thì ta ngăn chặn được sự tạo thành hydrat trong khí thiên nhiên. Đó là bản chất của quá trình sấy khí. Trong thành phần của khí đồng hành ngoài các cấu tử chính là các hydrocacbon no còn có một lượng đáng kể các tạp chất có tính axit như CO2, H2S và các hợp chất chứa lưu huỳnh như COS, CS2, RSH,... gây độc hại cho người sử dụng, ô nhiễm môi trường, ngộ độc xúc tác và gây ăn mòn thiết bị vận chuyển... Để loại bỏ đồng thời các tạp chất này cùng với nước người ta đã sử dụng phương pháp hấp thụ với dung môi hấp thụ là hỗn hợp etanol amin với etylen glycol. Việc làm sạch tổ hợp như vậy đồng thời làm khan hoá nguyên liệu và giảm lượng hơi nước cần thiết để tái sinh dung môi. Các phản ứng: 2 HOCH2CH2NH2 +CO2 + H2O (HOCH2CH2NH3)2CO3 2 HOCH2CH2NH2 + H2S (HOCH2CH2NH3)2CO3 Hình 5: Sơ đồ làm sạch khí bằng dung dịch MEA và etylen glycol. (phụ lục – hình 5 ) Quá trình làm sạch được thực hiện trong tháp hấp thụ và các thiết bị phụ trợ. Tháp hấp thụ và khử hấp thụ cũng có cấu tạo như tháp sấy khí bằng glycol. Khí được dẫn vào từ phần dưới của tháp, dòng khí chuyển động từ dưới lên còn dung dịch làm sạch gồm MEA và EG được tưới ngược chiều từ trên xuống. Khí đã được làm sạch được dẫn ra ở đỉnh tháp còn dung dịch đã hấp thụ H2S, CO2 được tháo ra ở đáy tháp. Dung dịch này được dẫn qua bộ phận trao đổi nhiệt đốt nóng bằng hơi nước và đưa vào giữa tháp khử hấp thụ, H2S và CO2 thoát ra ở đỉnh tháp còn dung dịch hấp thụ đã tái sinh được lấy ra ở phía dưới. Một phần dung dịch đó được đun nóng bằng hơi nước và quay lại tháp khử hấp thụ để truyền nhiệt, phần còn lại được làm nguội và tưới từ đỉnh tháp hấp thụ. 5. Phương pháp sấy khí bằng hấp thụ: Phương pháp sấy khí bằng hấp thụ có sơ đồ thiết bị đơn giản, dễ tính toán, dễ vận hành, quá trình liên tục nên có thể tự động hoá được, giá thành thiết bị thấp, ít mất mát năng lượng, tác nhân hút nước dễ chế tạo, dễ tái sinh và dung môi sau khi tái sinh có thể đạt được nồng độ cao. Vì vậy phương pháp này được sử dụng rộng rãi hơn các phương pháp khác. Khi sấy một lượng khí tương đối lớn thì phương pháp hấp thụ TEG hoặc DEG là kinh tế nhất cả về vốn đầu tư và tiêu tốn năng lượng. Trong phương pháp hấp thụ sấy khô khí thì các dung môi hấp thụ phải đáp ứng được những yêu cầu sau: Có khả năng hấp thụ hơi nước trong khoảng rộng nồng độ, áp suất, nhiệt độ. Có áp suất hơi bão hoà thấp để mất mát trong quá trình là ít nhất (do bay hơi). Nhiệt độ sôi khác nhiệt độ sôi của nước để có thể dễ dàng tách nước (dễ dàng khử hấp thụ để tái sinh chất hấp thụ). Độ nhớt đảm bảo tiếp xúc tốt với hỗn hợp khí trong thiết bị hấp thụ, thiết bị trao đổi nhiệt... Độ chọn lọc cao đối với các cấu tử có mặt trong khí nghĩa là có khả năng hấp thụ hơi nước trong khí cao, đồng thời khả năng hoà tan thấp các hydrocacbon trong khí. Tính ăn mòn kém. Khả năng tạo bọt kém khi tiếp xúc với dòng khí. Có độ bền nhiệt và độ oxy hoá cao. Không độc hại cho người làm việc, không gây ô nhiễm môi trường. Giá thành rẻ, dễ kiếm, dễ chế tạo. Những yêu cầu trên ở mức độ này hay khác có thể đạt được, là các chất lỏng: Glycol (G), EG, DEG, TEG, PG, các loại rượu khác của dãy alkan như metanol, etanol, hỗn hợp glycol với rượu hoặc ete, các dẫn xuất của DEG, TEG, etylcacbinat, TREG... Tất cả chúng đều có khả năng hấp thụ nước lớn, nhưng không được ứng dụng để làm khô khí thiên nhiên hay khí đồng hành. Vì khó tái sinh sau khi sử dụng và có độ chọn lọc thấp. Các dung môi dùng để sấy khô khí được sử dụng rộng rãi hơn cả là các dung dịch đậm đặc của EG, DEG, TEG và cả PG. Chúng là các dung dịch rượu 2 chức của dãy no. Hoà tan với nước ở bất kỳ tỷ lệ nào. Các dung dịch này không ăn mòn nên cho phép dùng kim loại rẻ tiền để chế tạo thiết bị. Bảng II.6: Một số tính chất hoá lý quan trọng của chúng được đưa ra ở bảng sau: Các đại lượng vật lý EG DEG TEG PG Khối lượng mol phân tử 62,07 106,12 150,18 76,09 Tỷ trọng tương đối P2020 1,116 1,118 1,125 1,034 Nhiệt độ sôi ở 760 mm Hg, oC 197,3 244,8 278,3 188,2 Nhiệt độ nóng chảy (oC) - 13 - 8 - 7,2 - 60 Nhiệt độ bắt đầu phân huỷ (oC) " 164 191 " Độ nhớt ở 20 oC 20,9 35,7 47,8 56,0 Nhiệt dung ở 20oC (293oK)KJ/Kg.oK 2,35 2,09 2,20 2,47 Nhiệt bay hơi ở 760 mm Hg 83,4 99,5 Nhiệt độ tái sinh, oC 165 164 191 - 60 Tính chất quan trọng của glycol khí ở trong dung dịch là khả năng hạ thấp nhiệt độ đông đặc của nước. Tính chất này có thể cho phép dùng nước của dung dịch đó để hấp thụ nước ở nhiệt độ âm. Dung dịch EG có nhiệt độ đông đặc thấp nhất, khả năng ngăn ngừa hydrat hoá cao nhất, độ nhớt thấp hơn các glycol khác ở cùng nhiệt độ sấy và có độ hoà tan các hydrocacbon khí trong thiết bị trao đổi lớn hơn so với DEG, TEG. Vì vậy, khả năng mất mát trong quá trình sấy lớn, nên EG không được sử dụng nhiều. DEG có ưu điểm so với TEG vàPG là độ hoà tan khí hydrocacbon thấp hơn, khả năng tạo bọt kém hơn, có độ nhớt thấp. ở áp suất cao thì khả năng hấp thụ nước dùng DEG là tốt hơn hết, vì nó đáp ứng được hệ số chọn lọc trong hệ nước - RH. Trong điều kiện áp suất khí quyển 1 atm (760 mm Hg) thì nhiệt độ bay hơi của DEG nhỏ nên mất mát trong quá trình sấy lớn hơn TEG. DEG có một loạt ưu điểm hơn so với TEG. DEG có độ bay hơi thấp hơn TEG trong điều kiên áp suất cao nên mất mát khi sấy (do bay hơi theo khí) ít hơn. DEG có nhiệt độ bắt đầu phân huỷ thấp hơn TEG một chút nhưng trong quá trình tái sinh (nhả hấp thụ) vẫn có thể tiến hành bằng cách đun ở nhiệt độ cao, đạt được nồng độ cao sau khi tái sinh mà không cần dùng chân không. Vì vậy mà sử dụng quá trình hấp thụ với dung môi là DEG để sấy khí đồng hành trong điều kiện áp suất cao là tối ưu nhất và đồng thời cũng phù hợp với đề tài của đồ án trình bày. Trong quá trình sấy sự mất mát (G) do hoà tan trong thiết bị khoảng 0,25 đến 0,75 lít đối với 1000 lít chất lỏng ngưng tụ và phụ thuộc vào thành phần khí hydrocacbon thơm. Khối lượng phân tử của chất sấy lỏng càng lớn thì độ hoà tan trong các hydrocacbon thơm càng tăng. Độ nhớt của dung dịch nước glycol giảm với quá trình tăng nhiệt độ và giảm nồng độ trong quá trình sấy khí và ngược lại. Nếu khí đưa vào sấy được làm lạnh đến âm hoặc bằng 0 thì không được dùng DEG hoặc TEG làm chất hấp thụ vì ở nhiệt độ này chúng rất quánh, làm khả năng trao đổi giữa hơi nước và (G) kém. Để giảm độ nhớt thì phải dùng các dung môi hữu cơ, có vai trò như là chất sấy khô và không có khả năng tạo bọt như: rượu benzylic, fenyl etylic, rượu thơm, rượu thẳng, rượu dị vòng đa chức,... các chất này đều có độ nhớt nhỏ hơn (G), tan tốt trong (G) và có khả năng hút nước. Lượng dung môi dùng trong dung dịch phải phù hợp với đòi hỏi của từng thiết bị, nhiệt độ thành phần khí ban đầu và bản chất của dung môi. Sau khi sấy khí bằng dung dịch (G) ta đạt được sự hạ` điểm sương nào đó. Mối quan hệ giữa nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp khí với hàm lượng tác nhân sấy TEG và nhiệt độ tiếp xúc được biểu diễn ở đồ thị hình 6. (phụ lục – hình 6 ). Mối quan hệ giữa độ hạ điểm sương của khí ẩm và nhiệt độ tiếp xúc được biểu diễn trên đồ thị hình 7.(phụ lục – hình 7 ). Quá trình giảm nhiệt độ điểm sương phụ thuộc nồng độ của nước trong dung dịch chất làm khô, nhiệt độ tiếp xúc trong cột hấp thụ, tính chất và thành phần dung dịch chất làm khô, hàm lượng nước và các hydrocacbon nặng trong khí, áp suất của quá trình. Hơi nước được lấy ra từ khí chừng nào áp suất riêng phần của nước trong khí và trên bề mặt dung dịch của chất sấy chưa bằng nhau. Lượng hơi nước có thể lấy ra từ khí được xác định bằng khả năng hút nước của chất hấp thụ. Nhiệt độ và áp suất tiếp xúc giữa khí và chất hấp thụ, khối lượng tuần hoàn trong hệ và độ nhớt của chất hấp thụ. Khả năng sấy của tác nhân sấy cũng được xác định bằng khả năng tách nước khi tái sinh để giảm lượng nước trong đó đến tối thiểu. Quá trình hấp thụ xảy ra trong tháp hấp thụ khi sử dụng dung môi hấp thụ là TEG và khí ẩm tiếp xúc với nhau. Các pha tiếp xúc có thể thực hiện trên các bậc (đĩa) hoặc liên tục. Cơ chế làm việc của tháp đĩa là mỗi đĩa có tác dụng như một bậc tiếp xúc đối với dòng lỏng và khí được và khuấy trộn và tiếp xúc với nhau. Các pha tiếp xúc trao đổi chất và năng lượng nhờ khuynh hướng tương tác pha đối với trạng thái cân bằng. Mức độ tiến đến gần trạng thái cân bằng giữa các pha tiếp xúc nhau được quy ước như là khả năng hiệu quả làm việc của các đĩa hay hệ số tác dụng có lợi. Tóm lại, khi sấy bằng phương pháp hấp thụ thường dùng tháp đĩa có ống chảy tràn vì ở dạng này sự mất mát ít, khả năng tiếp xúc giữa các pha tốt tạo khả năng hấp thụ hơi nước tốt. Đối với hấp thụ ngược dòng thì điều kiện cân bằng được xem xét ở chế độ tiếp xúc trên bề mặt đĩa trong tháp Phần II Tính toán thiết kế -------------oOo------------- A. Sơ Đồ Và Nguyên Lý Làm Việc Sơ đồ công nghệ sấy khí bằng phương pháp hấp thụ với dung môi hấp thụ DEG 1. Máy nén khí 6. Thiết bị làm lạnh II. Khí sau khi sấy 2. Tháp hấp thụ 7. Tháp tách III. Dung dịch DEG 3. Tháp khử hấp thụ 8. Bồn chứa DEG IV. DEG bão hoà nước 4. Bộ phận trao đổi nhiệt 9. Thiết bị chứa nước V. DEG bổ sung 5. Thiết bị dun nóng I. Khí đưa vào sấy VI. Nước tưới hồi lưu Nguyên lý hoạt động của dây chuyền công nghệ. Dòng khí ẩm đi vào máy nén khí, tại đây khí nguyên liệu được nén đến áp suất 10Mpa. Sau khi nén thì nhiệt độ của hỗn hợp khí tăng và hỗn hợp khí được đưa vào thiết bị làm lạnh (6) tại đây hỗn hợp khí được làm lạnh đến nhiệt độ 25 (0C) và sau đó hỗn hợp khí được đưa vào tháp tách(7) tại đây môt phần nươc ngưng tụ được tách ra và hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị này đươc đưa vào tháp hấp thụ (2). Dòng khí ẩm đi từ dưới lên còn dung dịch DEG đi từ trên xuống. Khí khô đi ra ngoài ở đỉnh tháp, dung dịch DEG bão hoà (sau hấp thụ) ra ngoài ở đáy tháp và đi qua thiết bị trao đổi nhiệt (4) sau đó đi vào tháp tách (7) tại đây tách bớt các hydrocacbon khí hoà tan vào dung dịch DEG, khí hydrocacbon thoát ra ở đỉnh còn dung dịch DEG bão hoà đi ra ở đáy tháp và sau đó được bơm (10) đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt (4) và đi vào tháp nhả hấp thụ ở đĩa tiếp liệu. Tháp tái sinh dùng dòng khí hydrocacbon khô thổi từ dưới lên để sự nhả hấp thụ xảy ra triệt để hơn và dùng nước tưới hồi lưu ở đĩa trên cùng của tháp nhả hấp thụ để giảm mất mát DEG bay hơi theo dòng khí. Dung dịch DEG sau khi tái sinh được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt (4) hai lần, sau đó đi qua sinh hàn không khí vào bồn chứa DEG (8) (ở bồn chứa 8 lượng DEG sẽ được bổ sung khi cần thiết) và sau đó được bơm (10) đưa lên đĩa phân phối của tháp hấp thụ. B. tính toán quá trình sấy khí I.Xác định các tính chất của hệ khí đồng hành đưa vào sấy Nhiệt độ của khí đưa vào sấy : T = 250C áp suất của khí đưa vào sấy : P = 10 MPa Năng suất theo nguyên liệu đầu : C = 6000 000 m3/ngày GKv GKr GGv GGr Hình II.1:Tháp hấp thụ Xác định hàm ẩm của khí đồng hành: Sử dụng công thức thực nghiệm (9) để tính gần đúng hàm ẩm của khí thiên nhiên trong khoảng nhiệt độ từ 20 á 400C và áp suất khoảng 1á40MPa: W=593,335.exp(0,0549T).P-0.814 .0,000001 (Kg/m3) T: nhiệt độ của khí đưa vào, 0C P: áp suất của khí đưa vào, MPa Với: T=25 oC, P=10MPa, ta có hàm ẩm của khí là: WKV=35,91.10-5 kg/m3 Tính khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp khí MK ( g/mol ). Với : Mi = khối lượng phân tử (g/mol) của cấu tử thứ i . yi = hàm lượng phần mol của cấu tử thứ i trong hỗn hợp khí Mk tính theo bảng II.1 : Cấu tử Khối lượng phân tử (MI) Thành phần mol của các cấu tử (yI) Mi yI CH4 16,043 0,743 11,92 C2H6 30,070 0,105 3,1574 C3H8 44,097 0,085 3,7482 N - C4H10 58,124 0,065 3,7781 N2 28,016 0,002 0,056 Tổng 1,000 22,6597 MK =22,6597 (g/mol) ã Xác định các thông số tới hạn của hệ khí đồng hành: ; Trong thực tế tính toán và nghiên cứu các hệ hydrocacbon người ta thường sử dụng các thông số giả tới hạn của hệ. Các thông số này có thể được xác định theo quy tắc Key: với yi:hàm lượng phần cấu tử thứ i trong hỗn hợp khí . Thi , Phi:nhiệt độ tới hạn (0K ) và áp suất tới ( MPa ) của cấu tử thứ i Nhiệt độ giả tới hạn và áp suất giả tới hạn của các cấu tử và của hỗn hợp khí được trình bày ở bảng II.2: Bảng II.2: Nhiệt độ và áp suất giả tới hạn của hỗn hợp khí Cấu tử Nồng độ phần mol (yi) Thi (K) Phi (MPa) Yi.Thi (K) yi.Phi (MPa) CH4 0,743 191 4,6 141,913 3,4178 C2H6 0,105 305 4,88 32,025 0,5124 C3H8 0,085 370 4,25 31,45 0,3613 N - C4H10 0,065 425 3,8 27,625 0,247 N2 0,002 126 3,4 0,252 0,0068 Tổng 1,000 233,265 4,5453 Tính hệ số nén z của hỗn hợp khí (xác định sai lêch của hỗn hợp khí so với khí lý tưởng) Hệ số nén z của hỗn hợp khí phụ thuộc vào áp suất rút gọn (pRG) và nhiệt độ rút gọn (tRG). Nhiệt độ rút gọn và áp suất rút gon được xác định theo công thức: ; Với: T là nhiệt độ của khí, 0K P là áp suất của khí, MPa T = 298 (0K) P = 10 ( MPa ) thh là nhiệt độ tới hạn hỗn hợp khí, K Phh là áp suất tới hạn trong hỗn hợp khí, MPa Từ bảng (II.2), ta có: TRG= 1,28 (oK) 2,2 (MPa) Từ nhiệt độ rút gọn và áp suất rút gọn, theo giản đồ kazt (2 Tr62) ta xác định được hệ số nén z = 0,65 Hệ số nén của hỗn hợp khí z = 0,65 Tính Khối lượng riêng của hỗn hợp khí (rK) Khối lượng riêng của hỗn hợp khí được xác định theo công thức sau: (15) MK: Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp khí, g/mol MK = 22,6597 (g/mol) P, T, Z: là áp suât, nhiệt độ và hệ số chịu nén ở điều kiện chuẩn R=0,00831(MPa)(m3)/(kmol)(K) P = 0,1 MPa T = 298 oK Z = 1 22,6597 x 0,1 r'K = = 0,915 (Kg/m3) 1x 0,00831x 298 Với T = 298oK , P = 10 MPa , Z = 0,65 Thay vào công thức (15) có rK = 140,944 (Kg/m3) Xác định nhiệt dung riêng của khí Nhiệt dung riêng của khí được xác định theo công thức sau: (16) Với ai là nồng độ khối lượng của cấu tử thứ i trong khí. ai xác định theo công thức sau : (17) Cpi : nhiệt dung riêng đẳng áp của cấu tử thứ i trong khí (kJ/kg.0C), được tính theo công thức sau: Cpi = a+bT+cT2+dT3 (18) T:Nhiệt độ của khí ,oC a,b,c,d: hệ số tính nhiệt dung đẳng áp của các cấu tử , kJ/kg.oK Bảng II.3: Hệ số tính nhiệt dung đẳng áp của cấu tử Cấu tử A b102 C105 d109 Khoảng nhiệt độ oC CH4 C2H6 C3H8 n-C4H10 4,598 1,292 -1,009 2,226 1,245 4,254 7,315 7,913 0,286 1,657 3,789 2,647 -2703 2,081 7,678 19,30 0á1200 0á1200 0á1200 0á1200 ở nhiệt độ T=25 oC, Cp được tính theo bảng II.4: BảngII.4: Nhiệt dung riêng đẳng áp của các cấu tử ở 250C Cấu tử Nồng độ phần khối lượng (ai) Nhiệt dung riêng cấu tử CPi (KJ/Kg.oC) ai. Cpi CH4 C2H6 C3H8 N C4H10 N2 0,526 0,1393 0,1654 0,1667 0,0025 4,8688 2,3721 0,8435 4,2211 1,0414 2,561 0,3304 0,1395 0,7037 0,0026 Tổng 1,0000 3,737 Vậy Cp = 3,737 KJ/Kg.oC Thể tích mol của các cấu tử và hệ số khuếch tán của chúng trong dung môi DEG Thể tích mol của các cấu tử trong hỗn hợp khí thiên nhiên được xác định theo phương trình sau: (19) Trong đó: t- nhiệt độ (0C); A,B,C,E là các hằng số Mi- Khối lượng phân tử mol của cấu tử i, g/mol ở diều kiện tiêu chuẩn, thể tích mol của các cấu tử được xác định theo công thức sau : Vi=n.vC+m.vH+k.vO (20) Vi: thể tích mol của cấu tử i, cm3/mol VC,vH, VO: thể tích nguyên tử của cacbon, hydro, oxy ( cm3/ng.tử) n.m.k: số nguyên tử cacbon, hydro, oxy trong phân tử VC=14.8, VH=3.7, vO=7.4 (21) BảngII.5: Thể tích mol của các cấu tử trong hỗn hợp khí Cờu tử MI Thể tích mol, cm3/mol CH4 C2H6 C3H8 nC4H10 N2 DEG 16,043 30,070 44,097 58,124 28,01 106,1 29,60 51,80 74,80 96,20 32,2 118,4 Hệ số khuếch tán của các hydrocacbon trong dung môi DEG có thể được xác định theo công thức sau: Dt=D20[1+b(t-20)] (21) D20:hệ số khuếch tán của hydrocacbon trong DEG ở 200C b :hệ số tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số khuếch tán. (22) A,B hệ số phụ thuộc vào tính chất của chất tan và dung môi Với hydrocacbon khí: A=1, Với glycol: B=2 VA,VB : thể tích mol của chất hoà tan và DEG MA,MB: khối lượng mol của chất tan và DEG m: độ nhớt củaDEG ở 200C, cP m = 33 cP Kết quả tính hệ số khuếch tán được trình bày ở bảng II.6: Hm : sự phụ thuộc của nhiệt hoà tan hydrocacbon khí trong dung dịch DEG vào áp suất. Bảng II.6: Hệ số khuyếch tán và Nhiệt hoà tan của hydrocacbon trong DEG Cấu tử Thành phần mol (yi) Nhiệt hoà tan của khí trong DEG ri (Kj/Kg) Hệ số khuyếch tán Dt 1010 (m2/s) CH4 0,745 419 8,22 C2H6 0,105 364 5,44 C3H8 0,085 289 4,231 n C4H10 0,065 239 3,56 N2 0,002 10 0 Tổng 1,000 II.tính toán tháp hấp thụ I.Tính toán cân bằng vật liệu của tháp Phương trình cân bằng vật liệu cho tháp hấp thụ: GKv + GGv = GKr + GGr Trong đó : GKv -Lưu lượng khối lượng khí ban đầu (kg/h) GKr -Lưu lượng khối lượng khí đi ra sau hấp thụ (kg/h). GGv , GGr : lưu lượng khối lượng dung dịch glycol ban đầu đi vào thiết bị và sau hấp thụ đi ra khỏi thiết bị (kg/h). Tính lưu lượng khối lượng hỗn hợp khí G (kg/h) : C .MK G = 22,4 Với MK - Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp khí MK = 22,6597(g/mol). C - Công suất làm việc ở điều kiện tiêu chuẩn. C = 6 000 000 m3/ngày đêm = 250 000 (m3/h) 250 000 x 22,6597 ị G = = 252898,437 (Kg/h) 22,4 Lưu lượng thể tích của hydrocacbon nguyên liệu V(m3/h) ta có: P0,V0,T0- Là các thông số trạng thái của hỗn hợp khí ở điều kiện chuẩn P,V,T - Là các thông số trạng thái của hỗn hợp khí ở điều kiện bất kỳ Zo, Z - Hệ số nén của hốn hợp khí ở điều kiện chuẩn và điều kiện bất kỳ ở điều kiện chuẩn: Zo=1, Po=0,1.Mpa, T0=273 0K và: Thay số vào ta có: V=1773,81 (m3/ h) Lưu lượng khối lượng thực tế của hỗn hợp khí đi vào tháp hấp thụ GKV(kg/h) Hỗn hợp khí đi vào tháp hấp thụ ngoài thành phần đã biết hỗn hợp khí còn chứa một phần ẩm. Lưu lượng ẩm này được xác định theo công thức: Gẩm =WKV .V (Kg/h) (27) Do vậy lưu lượng khối lượng thực tế của hỗn hợp khí đi vào tháp hấp thụ là: GKv =G + Gẩm=G + WKV.V (kg/h) (28) GKv = 252898,437 + 35,9110-5 x 1773,81 =252898,074 (Kg/h) Tính lượng ẩm bị hấp thụ Ga (kg/h) Ga xác định bằng công thức sau : Ga = (WKv - WKr ). V (kg/h) (29) Với WKv : hàm lượng ẩm của hỗn hợp khí vào thiết bị hấp thụ (Kg/m3) WKv = 35,91.10-5 (Kg/m3) WKr ; hàm lượng ẩm của hỗn hợp khí sau khi sấy ra khỏi tháp hấp thụ (Kg/m3) được xác định từ đồ thị hình 1 – phụ lục Vậy ở Tp = - 10oC , P = 10 MPa đ WKr = 4,5.10-5 (Kg/m3) ị Lượng ẩm bị hấp thụ bằng : Ga = (35,91 – 4,5) 10-5 x 1773,81 = 0,56 (kg/h) Tính lưu lượng dung dịch DEG 98,5% đưa vào đĩa tiếp nhận của thiết bị hấp thụ GGV (Kg/h) GGV được xác định bằng công thức sau: Ga.x2 đ GGv = (Kg/h) (30) x1 – x2 Với : Ga – Lượng ẩm bị hấp thụ trong 1 giờ Ga = 0,56 Kg/h x1,x2-Nồng độ phần khối lượng dung dịch DEG vào tháp hấp thụ và sau khi ra khỏi thiết bị hấp thụ + x1 = 0,985 + x2 chọn = 0,965 0,965 đ GGv = 0,56x = 27,02 (Kg/h) 0,985 - 0,965 -Lưu lượng thể tích VG (m3/h) của TEG là : (31) Với pG là khối lượng riêng của glycol ở 250C, xác định bằng đồ thị hình 6-phụ lục, là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của khối lượng riêng dung dịch DEG vào nhiệt độ dung dịch. Từ đồ thị 7, ở nhiệt độ 250C, xác định được khối lượng riêng của dung dịch DEG là pG = 1116 (kg/m3) à VG = 0,0242 (m3/h) ã Tính lưu lượng khí khô đi ra sau khi sấy GKr : Lưu lượng khí đi ra sau hấp thụ được tính theo công thức : GKr = GKv- Ga - Gb + gG (32) Trong đó : - Gb :khối lượng cấu tử hydrocacbon khí hoà tan vào DEG trong quá trình hấp thụ (kg/h). Gb được tính bằng công thức : Gb = Vb . pb . VG (33) Với Vb: phần thể tích khí hydrocacbon hoà tan trong glycol (m3/m3) pb : tỷ trọng hỗn hợp khí hydrocacbon hoà tan trong glycol (kg/m3) VG : lưu lượng thể tích của dung dịch glycol 98,5% (m3/h) gG : lượng TEG hao hụt do bay hơi theo dòng khí (kg/h). Giả sử nhiệt độ làm việc bên trong thiết bị hấp thụ là 35 0C. Độ hoà tan của khí hydrocacbon vào DEG được xác định bằng đồ thị ở hình 7-phụ lục, là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hoà tan của khí hydrocacbon trong glycol vào áp suất và nhiệt độ. Theo đồ thị 7, xác định được độ hoà tan hyđrocacbon khí vào glycol ở nhiệt độ 350C, áp suất 10 MPa +Đối với khi sử dụng DEG : Vb = 2,5 (m3/m3). Tỷ trọng hỗn hợp khí hydrocacbon hoà tan trong glycol tính bằng công thức sau [7.tr 6]: r = 142,57 (Kg/m3) à Gb = 2,5.142,57.0,0242 = 8,6255 (kg/h) Khối lượng cấu tử hydrocacbon thứ i hoà tan trong glycol. Kết quả tính gi được trình bày trong bảng II.7 . BảngII.7:Khối lượng cấu tử hydrocacbon hoà tan trong glycol Cấu tử Khối lượng mol phân tử M1 Thể tích mol V1 Hệ số khuếch tán Dti.1010(m2/s) Phần khối lượng cấu tử hoà tan trongDEG Khối lượng cấu tử hoà tan trong DEG ( kg/h) : gI = Gb . xi CH4 C2H6 C3H8 n C4H10 N2 16,043 30,07 44,097 58,124 28,01 29,6 51,8 74,8 96,2 32,2 8,22 5,41 4,2 3,51 0 0,3852 0,2535 0,1968 0,1645 0 3,3225 2,1866 1,6975 1,4189 0 Tổng 21,34 1,000 8,6255 Độ hao hụt DEG (gG ) được tính theo công thức: (34). Với DG là độ hao hụt của DEG do bay hơi theo dòng khí khi khí tiếp xúc với dung dịch glycol trên đĩa (kg/m3.103) DG xác định trên đồ thị 8 - phụ lục, là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hao hụt glycol trong pha khí vào nhiệt độ và áp suất tiếp xúc. Nhiệt độ tiếp xúc bằng nhiệt độ của khí đi vào và bằng 250C, áp suất 10 MPa, theo đồ thị 8 – phụ lục ta xác định được độ hao hụt : Ta có DG =2.10-3 (kg/m3) à Khối lượng DEG hao hụt là: gG = 3,5476.10-3 (kg/h) à Lưu lượng khí ra khỏi thiết bị sau khi sấy là : GKr = GKv - Ga - Gb + gG +Đối với khi sử dụng DEG : GKr = 252892,436 (kg/h) Lưu lượng glycol bão hoà đi ra sau khi sấy(kg/h): GGr=GGv+Ga+Gb-gG +Đối với khi sử dụng DEG : GGr = 32,658 (kg/h) Kết quả tính toán cân bằng vật liệu thiết bị hấp thụ biểu diễn ở bảng II.8 : Bảng II.8: Cân bằng vật liệu của tháp hấp thụ khi sử dụng chất hấp thụ là DEG Thành phần vào Lưu lượng khối lượng (kg/h) Thành phần ra Lưu lượng khối lượng (kg/h) Hỗn hợp hơi đi vào GKv(kg/h) 252898,074 Hỗn hợp khí đi ra GKr(kg/h) 252892,436 Dung dịch Glycol đi vào GGv(kg/h) 27,02 Dung dịch Glycol ra GGr(kg/h) 32,658 Tổng 252825,094 Tổng 252925,094 Như vậy tổng lượng vật chất vào bằng tổng lượng vật chất ra . Hàm lượng glycol trong dung dịch ra khỏi thiết bị hấp thụ xác định bằng công thức ; +Đối với khi sử dụng DEG : x’2 = 0,815 (phần khối lượng) Thành phần hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị hấp thụ Hỗn hợp khí đi ra khỏi tháp hấp thụ, ngoài thành phần hydrocacbon còn có một lượng gG(kg/h) glycol đã bị cuốn theo dòng khí và 1 lượng ẩm nhất định. Tuy nhiên, Để đơn giản trong tính toán ta bỏ qua các thành phần phi hydrocacbon trong hỗn hợp khí đi ra khỏi tháp hấp thụ. Lưu lượng của cấu tử i trong hỗn hợp khí đi vào tháp hấp thụ được xác định theo công thức sau: Với: G: lưu lượng của hỗn hợp khí đi vào (không kể ẩm), kg/h G = 252897,514 (kg/h) ai: Hàm lượng phần khối lượng của cấu tử i, kg/kg Kết quả thành phần hỗn hợp khí đi ra được trình bày trong bảng II.9 : Bảng II.9: Thành phần hỗn hợp khí đi ra khỏi tháp hấp thụ khi sử dụng chất hấp thụ là DEG Cấu tử ai kg/kg gI kg/h Phần hoà tan trong DEG,kg/h Lưu lương ra khỏi tháp kg/h Kmol/h Kmol Kmol CH4 C2H6 C3H8 NC4H10 N2 0,526 0,1393 0,1654 0,1667 0,0025 133024,1 35228,62 41829,25 42158,02 632,24 3,3225 2,1866 1,6975 1,4189 0 133020,78 35226,43 41827,55 42156,6 632,24 8291,515 1171,48 948,535 725,287 22,572 0,743 0,105 0,085 0,065 0,002 Thành phần chất hấp thụ bão hoà ra khỏi tháp hấp thụ: Thành phần chất hấp thụ bão hoà ra khỏi tháp hấp thụ được cho ở bảng II.10: Bảng II.10:Thành phần chất hấp thụ bão hoà ra khỏi tháp hấp thụ khi chất hấp thụ là DEG Cấu tử Khối lượmg phân tử Lưu lượng, gi Kg/h lưu lượngmol kmol/kmol Hàmlượng Mol kmol/kmol DEG H2O CH4 C2H6 C3H8 n-C4H10 N2 106,1 18,0 16,043 30,07 44,097 58,124 28,01 1188,86 6,6623 3,3225 2,1866 1,6975 1,4189 0 11,2 0,37 0,207 0,073 0,038 0,024 0 0,94 0,0312 0,0173 0,006 0,0032 0,002 0 Tổng 11,912 2.Tính toán cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị hấp thụ Viết phương trình cân bằng nhiệt lượng cho tháp hấp thụ: QGy + QGgv + Qk + Qr = QGo + QGgr Trong đó : QGkv : lượng nhiệt do khí nguyên liệu mang vào thiết bị (kW) QGgv : lượng nhiệt do glycol ban đầu mang vào (kW) Qk : lượng nhiệt sinh ra do hơi nước ngưng tụ và hoà tan vào glycol (kW) Qr : lượng nhiệt sinh ra do hydrocacbon khí hoà tan vào glycol (kW) QGkr : lượng nhiệt do khí sau khi hấp thụ mang ra khỏi thiết bị (kW) QGgr: lượng nhiệt do glycol sau hấp thụ mang ra khỏi thiết bị (kW) Tính lượng nhiệt do khí nguyên liệu mang vào thiết bị QGkv(kW) QGkv = Gkv . Cp . t c Với Gkv : Lưulượng khối lượng khí ban đầu, kg/h GGkv = 252898,074 (kg/h) tc: Nhiệt độ khí vào thiết bị, tc =250C Cp: Nhiệt dung riêng của khí ban đầu ở 250C , kJ/kg.0C Cp được xác định từ bảng(II.4), Cp=3,737 (kJ/kg.0C) à Lượng nhiệt do khí nguyên liệu mang vào thiết bị là : QGKv= 23627002,56 (kj/h) = 6563,056 (kw) Tính lượng nhiệt do dung dịch glycol 98,5% mang vào thiết bị QGgv QGgv tính theo công thức : QGgv = GGv . CGv . tGv Với CGv : nhiệt dung của dung dịch glycol 98,5% ở 250C . CGv xác địng bằng đồ thị hình 9-phụ lục, là đồ thị biểu diễn quan hệ giữa nhiệt dung riêng của dung dịch glycol với nồng độ dung dịch và nhiệt độ . đ CGv = 2,35 kJ/kg.0C tGv = nhiệt độ dung dịch glycol vào thiết bị bằng 250C à QGgv =27,02 .2,35 .25 = 1587,425 (kJ/h) = 0,441 (kW) Tính lượng nhiệt toả ra do hơi nước ngưng tụ và hoà tan vào glycol Qk Qk tính bằng công thức : Qk = Q1 + Q2 Trong đó : Q1 : lượng nhiệt toả ra khi ngưng tụ hơi nước (kW) Q2 : lượng nhiệt toả ra khi nước hoà tan vào glycol (kW) Q1 = Ga . Với Ga : lượng ẩm bị hấp thụ, Ga = 0,56 (kg/h) : nhiệt ngưng tụ hơi nước ở 250C. =2424 (kJ/kg). àQ1=0,56.2424 = 1357,44 (kJ/h) = 0,377 (kW) Q2 = Ga.rh Với rh : nhiệt hoà tan nước vào glycol ở nhiệt độ 250C và áp suất 10 MPa , ta có : rh=135,2 (kJ/kg) à Q2 =0,56.135,2 = 75,712 (kJ/h) = 0,021 (kW) à Qk = Q1 + Q2 = 0,377 +0,021 = 0,398 (kW) ã Tính lượng nhiệt toả ra khi khí hydrocacbon hoà tan vào glycol Qr(kW) Q1 tính bằng công thức : Với gi : lượng cấu tử hydrocacbon thứ i hoà tan vào glycol (kg/h) ri : nhiệt hoà tan của cấu tử thứ i vào glycol (kJ/kg) , xác định bằng đồ thị hình 5 - phụ lục, là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt hoà tan khí hydrocacbon trong glycol vào áp suất. Kết quả tính toán được trình bày ở bảng II.11: BảngII.11:Kết quả tính toán Qr Cấu tử Phần khối lượng phân tử HC hoà tan trong DEG(xI) Khối lượng phân tử HC hoà tan trong DEG GI= Gi.xI(kg/h) Nhiệt hoà tan Của cấu tử trong glycol (Kj/Kg) Gi.rI/3600 (Kw) CH4 0,3852 3,3225 419 0,387 C2H6 02535 2,1866 364 0,221 C3H8 0,1968 1,6975 289 0,136 N -C4H10 0,1645 1,4189 239 0,094 N2 0 0 10 0 Tổng 1,000 0,838 Vậy lượng nhiệt toả ra khi khí hydrocacbon hoà tan vào glycol là: Qr = 0,838 (kW) Tính lượng nhiệt do khí sau hấp thụ mang ra khỏi thiết bị QGkr QGkr tính theo công thức : QGkr = Gkr . Cp . to Trong đó Cp : nhiệt dung riêng của khí ở 250C, Cp=3,737 (kJ/kg.0C) +Lưu lượng khí ra khỏi thiết bị hấp thụ: GKr = 252892,436 (kg/h) àQGkr=23626475,83(kJ/h) =6562,91 (kW) Tính nhiệt lượng do dung dịch glycol bão hoà mang ra khỏi thiết bị QGgr (kw) . QGgr tính theo công thức : QGgr = QGkv + QGgv + Qk + Qr - QGkr à Vậy lượng nhiệt do dung dịch glycol bão hoà mang ra khỏi thiết bi là: QGgr = 1,823 (kW) Cân bằng nhiệt lượng hấp thụ được trình bày ở bảng II.12 : Bảng II.12: Cân bằng nhiệt của tháp hấp thụ với dung môi hấp thụ là DEG. Dòng nhiệt Nhiệt độ (0C) Nhiệt lượng (kW) Dòng nhiệt mang vào Do hỗn hợp khí ban đầu QGy Do dung dịch DEG 98,5% QGgv Do nhiệt ngưng tụ và hoà tan nước vào dung dịch DEG QK Do nhiệt hoà tan H.C vào dung dịch DEG Qr 25 25 6563,056 0,441 0,398 0,838 Tổng nhiệt lượng vào thiết bị 6564,733 Dòng nhiệt mang ra - Do hỗn hợp khí ra QGkr - Do dung dịch DEG bão hoà QGgr tb 6562,91 1,823 Tổng nhiệt lượng ra khỏi thiết bị 6564,733 Nhiệt độ dung dịch glycol bão hoà ra khỏi thiết bị hấp thụ được theo công thức : CG: Nhiệt dung riêng của glycol 81,5 % ở 250C +Đối với khi sử dụng DEG CG = 2,6 kJ/kg.oC tb = 77,3 ( 0C) Nhiệt độ của hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị hấp thụ tkr: CK = 1,9611 kJ/kg.oC tk = 47,6 (0C) Nhiệt độ trung bình trong thiết bị hấp thụ là : t’ = (77,3 + 47,6)/2 = 62,45 0C 3.Tính toán số đĩa lý thuyết của tháp hấp thụ Để tính toán số đĩa lý thuyết, ta dùng phương pháp đồ thị. Toạ độ các điểm của đồ thị được xác định như sau : Từ dung dịch glycol đi vào và khí sau sấy đi ra, ta có: + lượng kmol nước trong 1 kmol dung dịch glycol khi đưa vào thiết bị (x1A): x1v : nồng độ dung dịch glycol vào = 0,985 MGv : khối lượng mol phân tử DEG =106.1 (g/mol) : khối lượng mol phan tử nước =18 (g/mol) đ x1A = 0,09 (kmol) - Lượng kmol nước trong 1 kmol khí khi đi ra khỏi thiết bị (y2A): đ y2A = 0,56.10-4 (kmol) Từ dung dịch đi ra và khí đi vào tháp hấp thụ, ta có: -Lượng kmol trong 1 kmol glycol ra khỏi thiết bị hấp thụ(x2b ): Với x2r : Nồng độ dung dịch DEG đi ra =0,815 (phần khối lượng) MGr : khối lượng mol glycol bão hoà ra khỏi thiết bị được tính ở bảng II.13: ị x2B =1,274 (kmol) - Lượng kmol nước trong 1 kmol khí đi vào thiết bị hấp thụ (y1B): Hàm ẩm của hỗn hợp khí vào thiết bị hấp thụ Wkv = 35,91.10-5 (kg/m3) Y1B = 0,447.10-3 kmol Từ các kết quả thu được , vẽ đường thẳng AB đi qua các điểm : A (x1A ; y2A) = ( 0,09;0,56.10-4 ) B (x2B ; y1B) = (1,274 ; 0,47.10-4 ) Bảng II.13: Khối lượng mol DEG bão hoà ra khỏi tháp hấp thụ Cấu tử Khối lượmg phân tử Mi Lưulượng,kg/h gi lưu lượngmol Hàm lượng mol DEG H2O CH4 C2H6 C3H8 NC4H10 N2 106,1 18 16,043 30,07 44,097 58,124 28,01 1188,86 6,6623 3,3225 2,1866 1,6975 1,4189 0 11,2 0,37 0,207 0,073 0,038 0,024 0 0,94 0,0312 0,0173 0,006 0,0032 0,002 0 99,734 0,5616 0,2775 0,1804 0,1411 0,1162 0 Tổng 3,4795 101,01 Xây dựng đường cân bằng : ở bảng II.14 tính toạ độ đường cân bằng từ nồng độ nước trong dung dịch xi (phần khối lượng ) và từ đồ thị hình 11-phụ lục, là đồ thị quan hệ giữa áp suất của nước trong dung dịch glycol với nhiệt độ và nồng độ nước chứa trong đó. Bảng II.14:Tọa độ đường cân bằng DEG-Nước Nồng độ nước trongdung dịch xi(phầnkhối lượng) Khốilượng moldung dịch Mdi áp suất hơi nước trong dung dịch (đồ thị ) Pi (Pa) ở 300C Nồng độ mol nướctrong dung dịch Nồng độ mol cân bằng hơi nước trong khí 0,01 101,17 70 0,562 0,0000476 0,02 96,66 190 0,1074 0,0001293 0,03 92,53 400 0,1542 0,000272 0,05 85,25 640 0,2368 0,000435 0,1 71,24 1050 0,13957 0,000714 Nồng độ mol của nước trong dung dịch tính theo công thức : Mdi : khối lượng mol trung bình của dung dịch glycol, tính theo công thức: Với : khối lượng mol phân tử nước = 18 MG : khối lượng mol phân tử DEG = 106,1 Vẽ đường cân bằng CD theo các điểm (xin ; yin) Từ các đường AB , CD vừa vẽ và bằng cách kẻ đường nhiều bậc từ điểm B tới điểm A ở giữa 2 đường thẳng AB và CD, ta xác định được số đĩa lý thuyết: NL = 2 (đĩa) 3.Tính đường kính thiết bị hấp thụ Đường kính thiết bị hấp thụ tính theo công thức sau : 25 ) ( ) 25 ( 800 . 1 0 0 + ´ - ´ + ´ + ´ = C K p p p G C K p G D b Gr b Kv Gr Gr Trong đó : GKv : lưu lượng khí ban đầu vào thiết bị. Gkv = 252898,074 (kg/h) Gkv = 70,25 (kg/s) GGr : lưu lượng dung dịch glycol bão hoà ra khỏi thiết bị (kg/s) GGr = 32,658 (kg/h) = 9,07.10-3 (kg/s) K0 : hệ số làm việc của đĩa = 0,25 C : hệ số hấp thụ khi khoảng cách giữa các đĩa hấp thụ trong thiết bị ht = 0,6 mét ị C=480 pGr : tỷ trọng dung dịch glycol 96,5 % ở 25 0C , xác định theo đồ thị 6 - (phụ lục) , pGr = 1099,57 (kg/m3) pb : tỷ trọng của hỗn hợp khí hydrocacbon hoà tan trong glycol pb = 142,57 (kg/m3) ị Đường kính thiết bị hấp thụ là : D ằ 1,9 (m) Quy chuẩn D = 2 (m) 5. Tính chiều cao thiết bị hấp thụ Chiều cao làm việc của thiết bị hấp thụ được tính bằng công thức sau : H = h1 + h2 + h3 (m) [10.tr70] Trong đó h1 : chiều cao tầng dưới của thiết bị , thường lấy = 1,5 (m) h2 : chiều cao phần thiết bị chứa các đĩa làm việc (m) h3 : chiều cao tầng trên của thiết bị , thường lấy = 1,5 (m) h2 được tính bằng công thức : h2 = (Nt – 1). ht [10.tr 70] Với Nt là số đĩa làm việc thực tế NL : số đĩa lý thuyết = 2 h : hiệu suất làm việc của đĩa Thông thường hiệu suất làm việc của đĩa trong tháp làm khô khí bằng hấp thụ dùng glycol lấy ở khoảng từ 0,25 đến 0,4 Với mục đích làm khô tối đa thì lấy hiệu suất = 0,25 à Nt = = 8 (đĩa) ht : chiều cao không gian giữa các đĩa , lấy = 0,5 m [10] à h2 = (8-1).0,5 = 3,5 (m) Vậy chiều cao thiết bị là : H = 1,5 + 3,5 +1,5 = 6,5 (m) 6. Một số thông số của quá trình Hệ số thoát ẩm của quá trình sấy khí Trong đó : yd : hàm lượng nước trong khí nguyện liệu (mol/mol) yc : hàm lượng nước trong khí sau sấy (mol/mol) Phương trình quan hệ giữa đơn vị đo hàm lượng ẩm trong khí y (mol/mol) và (kg/m3) là : ị Độ ẩm khí nguyên liệu Wkv =35,91.10-5 (kg/m3) tương ứng với hàm lượng mol/mol là : yd =0,45.10-3 mol/mol Độ ẩm khí sau khi sấy. Wkr = 4,5.10-5 (kg/m3) tương ứng với hàm lượng mol/mol là : yc =0,56.10-4 mol/mol ị Hệ số thoát ẩm của quá trình sấy là: jT =0.8756 Yếu tố hấp thụ A Yếu tố hấp thụ A được xác định bằng đồ thị Kremce (Hình 12 – phụ lục) tương ứng với số đĩa lý thuyết và hệ số thoát ẩm đã tính ở trên, ta có: đ A = 2,25 Phần III Kết luận Sau một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu và được sự giúp đỡ tận tình của PGS.TS Nguyên Thị Minh Hiền cùng các thầy cô giáo trong bộ môn công nghệ Hữu cơ-Hoá dầu, bản đồ án tốt nghiệp của em đã hoàn thành đúng thời gian quy định. Qua bản đồ án môn học này đã giúp em có điều kiện tìm hiểu thêm về một số vấn đề sau: Phần lý thuyết (Mở đầu và Tổng quan) -Tìm hiểu thêm về tiềm năng của công nghiệp khí Việt Nam và thế giới. -Nghiên cứu tính chất hoá lý của khí thiên nhiên và khí đồng hành. -Nghiên cứu công nghệ sấy khí bằng phương pháp hấp thụ và các công nghệ sấy khí khác. Phần tính toán: Xác định các thông số hoá lý của khí đưa vào sấy. Tính toán sơ đồ công nghệ sấy khí bằng DEG. -Tính được cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt của tháp hấp thụ. Lưu lượng hỗn hợp khí nguyên liệu Gkv = 252898,074 (kg/h) Lưu lượng hỗn hợp khí ra khỏi tháp hấp thụ Gkr = 252892,436 (kg/h) -Tính được đường kính và chiều cao của tháp hấp thụ. Đường kính D = 2 (m) , Chiều cao H = 6,5 (m) Bản đồ án “Thiết kế dây truyền công nghệ sấy khí đồng hành bằng phương pháp hấp thụ” là một lĩnh vực mới và có một khối lượng công việc rất lớn. Vì vậy mặc dù bản thân đã cố gắng nỗ lực rất nhiều nhưng trong quá trình tìm hiểu, trình bày đồ án không thể tránh khỏi thiếu sót và hạn chế. Em rất mong sự giúp đỡ và chỉ bảo của các thầy cô giáo để em hiểu thấu đáo hơn mà vấn đề đồ án đặt ra. Tài liệu tham khảo 1. M.A Berlin Công nghệ chế biến khí thiên nhiên và khí dầu mỏ. 2. PGS. TS : Nguyễn Thị Minh Hiền Công nghệ chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành ĐHBK Hà nội – 2004 3. Sổ tay quá trìnhvà thiết bị công nghệ hoá chất I và II. Trường ĐHBK HN – Bộ môn quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất. NXB – KHKT 1982 4. Tạp chí khoa học và dầu khí việt nam –2005 5. John M. Campbell Gas Conditioning and Processing (Volume 1: The Basic Principles) 6. John M. Campbell Gas Conditioning and Processing (Volume 1: The Equipment Modules) Hình 3: Sự phụ thuộc nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp khí vào nhiệt độ tiếp xúc với dung dịch DEG Hình 5: Sự phụ thuộc của nhiệt độ hoà tan hydrocacbon khí trong dung dịch DEG vào áp suất. Hình 6: Sự phụ thuộc của tỷ trọng DEG vào nhiệt độ. Hình 7: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hoà tan khí hydrocacbon trong DEG vào áp suất và nhiệt độ. Hình 8: Quan hệ giữa lượng DEG hao hụt trong pha khí với áp suất ,nhiệt độ tiếp xúc, hàm lượng DEG. Hình 9: Quan hệ giữa nhiệt dung riêng của DEG với nồng độ dung dịch và nhiệt độ 0C. Hình 10: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết của tháp hấp thụ. Hình 11: Quan hệ giữa áp suất của nước trong dung dịch DEG với nhiệt độ và nồng độ nước trong dung dịch DEG. Hình 13: Sự phụ thuộc của hằng số cân bằng pha của nước trong hệ DEG – Nươc vào nhiệt độ và áp suất.