Đồ án tốt nghiệp: Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC BỘ MÔN HỮU CƠ - HOÁ DẦU ------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ SẤY KHÍ BẰNG OXIT NHÔM

: NGUYỄN ANH TUẤN

: 02V - 01 - HOÁ DẦU

Giáo viên hướng dẫn : PGS. TS. NGUYỄN THỊ MINH HIỀN Sinh viên thực hiện Lớp

Hà Nội - 2005

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN

: Vận tốc khối lƣợng khí Um

: Hằng số. C

: Đƣờng kính trung bình hạt chất hấp phụ. Dh

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

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

: Gia tốc rơi tự do. g

: Áp suất rút gọn. P’r

: Nhiệt độ rút gọn. T’r

: Hệ số chịu nén. Z

: Khối lƣợng nƣớc tách từ khí trong chu kỳ hấp phụ.

n : Số chu kỳ.

: Lƣợng ẩm trƣớc và sau khí sấy. 1, 2

: Năng suất khí cần sấy. 

: Đƣờng kính tháp hấp phụ. D

: Vận tốc tuyến tính. vP

: Đƣờng kính trung bình của hạt  - Al2O3. DP

: Khối lƣợng riêng của khí. g

: Thời gian của chu kỳ. 

: Tải trọng riêng. q

: Chiều dài vùng hấp phụ. lvh

: Dung lƣợng ẩm cân bằng động. ad

1

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

: Chiều cao cần thiết của lớp hấp phụ động. l1

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

: Hệ số ma sát. f

: Đƣờng kính tƣơng đƣơng của hạt. dp

: Độ rỗng của hạt. 

: Độ ẩm bão hoa của khí. ’

: Chuẩn số Reynolds . Re

: Độ nhớt của cấu tử. 

: Khối lƣợng chất hấp phụ. G1

: Nhiệt độ tái sinh. T4

: Nhiệt độ quá trình hấp phụ. T1

: Nhiệt cần thiết để đun  - Al2O3. Q1

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

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

: Chiều cao của tháp. Ht

: Nhiệt cần thiết để đun nóng thiết bị. Q2

: Khối lƣợng riêng của thép. t

: Nhiệt cần để đung nóng nƣớc đến nhiệt độ sôi. Q3

: Nhiệt độ sôi của nƣớc. T2

: Nhiệt dung riêng của nƣớc. C1

: Nhiệt bay hơi nƣớc.

: Nhiệt cần để bay hơi nƣớc Q4

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

trình hấp phụ.

2

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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

: Lƣợng nhiệt mất mát ra môi trƣờng. Qm

: Lƣợng nhiệt riêng cần để giải hấp một đơn vị khối lƣợng nƣớc hấp

phụ.

: Khối lƣợng khí đem tái sinh. GK

: Nhiệt dung riêng trung bình của hỗn hợp khí. Ck

: Thể tích khí tái sinh. Vts

 - 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.

3

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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 nhƣ dùng để sản

xuất nhiên liệu phục vụ cho nhu cầu dân dụng, công nghiệp, giao thông vận

tải (nhƣ LNG, LPG)..

Khí tự nhiên và khí đồng hành khai thác từ lòng đất thƣờng bão hoà

hơi nƣớc và hàm lƣợng hơi nƣớc 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 nhƣ bụi, hơi nƣớc, khí trơ, CO2, H2S và các hợp chất

hữu cơ chứa S nên trƣớc khi đƣa vào chế biến khí cần phải qua công đoạn

chuẩn bị mà trong đó qúa trình tách hơi nƣớc là rất quan trọng.

Do hơi nƣớc trong khí tự nhiên và khí đồng hành có thể bị ngƣng 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

thƣờng đối với các dây chuyền khai thác, vận chuyển và chế biến khí. Ngoài

ra sự có mặt của hơi nƣớc và các hợp chất chứa lƣu 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 nƣớc 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 phƣơng pháp đƣợc dùng để hạ nhiệt

độ điểm sƣơng và sấy khô khí tự nhiên cũng nhƣ khí đồng hành. Với đề tài

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

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

4

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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

chịu đƣợc nƣớc.

Với yêu cầu là sấy khí đồng hành của mỏ Bạch Hổ thì phƣơng pháp

này có thể đạt đƣợc điểm sƣơng thấp, điểm sƣơng 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 đƣợc 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 lƣợng 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 Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã

tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ để đồ án này của em có thể hoàn thành đúng thời

hạn.

5

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

PHẦN I

TỔNG QUAN

6

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƢƠNG 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 đƣợc 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 nhƣ 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, đƣợc hình thành cùng với

dầu, ta nhận đƣợc 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 nhƣ 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 nhƣ CO2, N2, H2S, H2, He…

Số lƣợng và hàm lƣợng 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).

Khí đồng hành Khí tự nhiên

Bạch Hổ Đại Hùng

76,82 11,87 5,98 1,04 0,32 0,50 1,00 77,45 9,49 3,38 1,34 0,48 4,05 - Rồng 76,54 6,89 8,25 0,78 0,50 - - Lan Tây 88,5 4,3 2,4 0,6 1,4 0,3 1,9 Tiền Hải 87,6 3,1 1,2 1,0 0,8 3,3 3,0 Các cấu tử CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 N2 CO2

7

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

- - - 10,0 - H2S

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

I.2.1. Phƣơng 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 nhƣ entanpi, entropi, tỷ trọng, fugat; ngƣời ta sử dụng phƣơng 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 tƣởng, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp và

áp suất cao. Vì vậy không thể sử dụng phƣơng trình trạng thái khí lý tƣởng

để xác định các tính chất của chúng mà ta phải dùng các phƣơng pháp trạng

thái mô tả hệ khí thực nhƣ:

- Phƣơng trình Vander Waals

- Phƣơng trình Benedict - Webb - Rubin (BWR).

- Phƣơng trình Redlich - Kwong (RK).

- Phƣơng trình Peng - Robinson (PR).

I.2.2. Cân bằng pha của hệ các hydrocacbon.

Hằng số cần bằng K là đại lƣợng đặc trƣng cho sự phân bố của các cấu

tử giữa các pha ở điều kiện cân bằng và nó đƣợc xác định bằng phƣơng trình.

(I.1) Ki = yi/xi

Trong đó:

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

xi - phần mol của cấu tử i trong pha lỏng.

8

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Với hệ khí lý tƣởng, K đƣợc xác định theo phƣơng trình sau:

(I.2) Ki = Pi/P

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 đƣợc xác định bằng phƣơng pháp giải tích và

phƣơng 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 NƢỚC.

I.3.1. Hàm ẩm của khí.

Khí tự nhiên và khí đồng hành khai thác từ các mỏ dƣới lòng đất luôn

bão hoà hơi nƣớc. Hàm lƣợng hơi nƣớc 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 đƣợc hàm lƣợng ẩm tối đa của khí. Hàm lƣợng ẩm cân bằng hay

còn gọi là độ ẩm cân bằng.

Khi biểu diễn hàm lƣợng hơi nƣớc có trong khí, ngƣời ta sử dụng hai

khái niệm: độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tƣơng đối. Độ ẩm tuyệt đối là lƣợng hơi

nƣớc có trong một đơn vị thể tích hoặc một đơn vị khối lƣợng khí (đƣợc biểu diễn bằng g/m3 khí hoặc g/kg khí). Độ ẩm tƣơng đối là tỷ số giữa khối lƣợng

hơi nƣớc có trong khí và khối lƣợng hơi nƣớc tối đa có thể có trong khí ở

điều kiện bão hoà (đƣợc biểu diễn theo phần trăm hoặc phần đơn vị).

Nếu giảm nhiệt độ khí bão hoà hơi nƣớc còn áp suất không đổi thì một

phần hơi nƣớc bị ngƣng tụ. Nhiệt độ tại đó hơi nƣớc có trong khí bắt đầu

ngƣng tụ đƣợc gọi là điểm sƣơng của khí ẩm tại áp suất đã cho.

9

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hàm ẩm của khí phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và thành phần hỗn

hợp khí. Hiện nay có rất nhiều phƣơng pháp xác định hàm ẩm của khí, mà

phổ biến hơn cả là các phƣơng pháp sau đây:

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

- Sử dụng các đƣờng cong thực nghiệm phụ thuộc của hàm ẩm vào

nhiệt độ và áp suất.

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

- Sử dụng phƣơng trình trạng thái P - V - T.

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

Nhƣ ta biết, nitơ giữ nƣớc 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.

Ngƣợc 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 hƣởng của nitơ và các

hydrocacbon nặng là nhƣ 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 đƣờng cong phụ thuộc của

nhiệt độ điểm sƣơng vào hàm ẩm ở các áp suất khác nhau của hệ dựa trên cơ

sở coi nƣớc ngƣng tụ là pha lỏng. Tuy nhiên ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tạo

hydrat của khí, pha "ngƣng tụ" không phải là pha lỏng mà là pha rắn đƣợc

gọi là hydrat.

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

ổn định "metastable". Đƣờng hàm ẩm cân bằng của khí - hydrat sẽ nằm phía

dƣới đƣờng cân bằng khí - metastable (hình H.3).

10

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

11

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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

12

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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.

13

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

I.3.4. Sự tạo thành hydrat.

I.3.4.1. Cấu trúc tinh thể hydrat.

Nƣớc 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 nƣớc liên kết với

nhau bằng liên kết hydro. Các phần tử hydro cacbon nhẹ (metan, etan,

propan, butan) thâm nhập vào mạng lƣới này tạo thành mạng tinh thể hydrat

bền vững.

Về cấu trúc các tinh thể hydrat có hai loại ô mạng cơ sở đƣợc mô tả ở

hình (H.4).

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

Các chấm tròn chỉ các phân tử nƣớc, các đoạn thẳng chỉ liên kết hydro.

Bằng phƣơng 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

14

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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

nhƣ hình vẽ mô tả cấu trúc II).

Dạng cấu trúc I có hằng số mạnh là 12A0, chứa 46 phần tử nƣớc 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. Nhƣng

cũng có một vài ô mạng không bị các phân tử hydro cacbon có cấu trúc phân

tử cồng kềnh hơn nhƣ 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 nƣớc 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 đƣợc các phân tử lớn nhƣ

propan, n-butan, izo-butan.

Ngoài yếu tố kích thƣớc phân tử, yếu tố thứ hai có ảnh hƣởng đến sự

hình thành hydrat là tính hoà tan trong nƣớc của các hydro cacbon. Sự có

mặt của các tạp chất nhƣ H2S, CO2, N2 có ảnh hƣởng đáng kể đến sự tạo

thành hydrat.

Sự tạo thành hydrat còn phụ thuộc các dạng năng lƣợng nhƣ lực hút,

lực đẩy, lực quay, lực liên kết ở trạng thái cân bằng. Khi một tinh thể hydrat

đƣợc 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.

Ngƣời ta đã xác định đƣợc 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 nhƣng không bền và dễ

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

15

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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 lƣới tinh thể

hydrat ổn định hơn. Nhƣ vậy, hỗn hợp các phân tử có kích thƣớc khác nhau

thuận lợi cho sự hình thành hydrat.

Các tinh thể hydrat riêng biệt tạo thành trong nƣớc ở trạng thái lỏng.

Chỉ trong điều kiện pha lỏng mới có đủ nồng độ và mức năng lƣợng cần thiết

để tạo thành liên kết hydro. Những tinh thể hydrat này rất nhỏ nhƣng 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 đƣờng cong đặc trƣng của quá trình tạo hydrat

của các cấu tử khí tự nhiên, nó cho biết điều kiện hình thành tạo hydrat.

Miền phía dƣới và bên phải các đƣờng này không tạo thành các hydrat. Ở giá

trị nhiệt độ nào đấy đƣờng cân bằng trở thành thẳng đứng, giá trị nhiệt độ có

đƣợc 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 nƣớc đá và hydrat ở phía trên đƣờng cong cân

bằng, còn ở phía dƣới đƣờng cong chỉ có nƣớc đá và hơi.

Ở T0 > 00C (320F): hydrat ở pha rắn, chỉ có bên trái đƣờng 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 nƣớc 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 ( nhƣ

bơm, quạt, máy nén…) . Để hạn chế tác hại của hiện tƣợng này khí cần đƣợc

dehydrat bằng cách hạ nhiệt độ điểm sƣơng của hỗn hợp khí hoặc dùng các

phƣơng pháp hấp thụ và hấp phụ để sấy khô khí.

16

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình H.5: Điều kiện tạo hydrat của các cấu tử trong khí tự nhiên

17

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình H.6: Điều kiện tạo hydrat của propan

I.4. QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ.

I.4.1. Khái niệm chung về hấp phụ

Quá trình hấp phụ là quá trình hút khí hay hơi, hay chất lỏng bằng một

bề mặt rắn xốp vật chất sẽ chuyền từ pha khí hay hơi sang pha rắn. Chất bị

hút gọi là chất bị hấp phụ, chất rắn xốp gọi là chất hấp phụ.

Trong hấp phụ ngƣời ta lại phân chia ra các quá trình nhƣ hấp phụ trao

đổi ion, hấp phụ hoá học và hấp phụ vật lí.

Hấp phụ trao đổi ion: là hấp phụ có cực có kèm theo sự trao đổi ion

giữa chất hấp phụ và dung dịch.

Hấp phụ hoá học: là quá trình hấp phụ có kèm theo phản ứng hoá học

giữa các chất bị hấp phụ và chất hấp phụ.

Hấp phụ vật lí: là quá trình hấp phụ không kèm theo phản ứng hoá học.

Trong hấp phụ vật lí thì lực hấp phụ là lực Vander Waals và nó là một quá

trình thuận nghịch hoàn toàn.

Trong thực tế, các loại hấp phụ có thể xảy ra đồng thời và tuỳ theo

điều kiện thực hiện quá trình mà hấp phụ loại này có thể chiếm ƣu thế hơn

loại kia.

I.4.2. Chất hấp phụ.

I.4.2.1. Đặc chưng của chất hấp phụ.

Chất hấp phụ là những chất vật liệu rắn dạng hạt có cấu trúc xốp và

diện tích bề mặt riêng lớn.

Đặc trƣng cơ bản của chất hấp phụ là hoạt độ (hoạt độ tĩnh và hoạt độ

động). Chất hấp phụ đƣợc chia làm ba loại:

Loại I: Chất hấp phụ có mao quản rất nhỏ, kích thƣớc của mao quản

có thể gần bằng kích thƣớc phân tử của chất bị hấp phụ (microposity) nhƣ

18

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

các zeolit, than hoạt tính, vật liệu khoáng sét và nhiều chất ma xúc tác…

đƣờng kính mao quản là d < 2nm.

Loại II: Chất hấp phụ có mao quản trung bình (mesoporosity) có

đƣờng kính mao quản trong khoảng 2nm < d < 50nm.

Loại III: Chất hấp phụ có mao quản lớn (macroposity) đƣờng kính

mao quản là d > 50nm

Trong công nghiệp sấy khí ngƣời tta thƣờng dùng các chất hấp phụ là

than hoạt tính, Silicagen, oxyt nhôm, zeolit. Các đại lƣợng đặc trƣng của

chúng (Xem ở bảng I.2).

Bảng I.2. Các đại lượng đặc trưng của các chất hấp phụ.

Oxit Boxit Zeolit 4A Đại lƣợng đặc trƣng Silicagel nhôm hoạt tính và 5A hoạt tính

Khối lƣợng riêng, g/cm3

- Khối lƣợng riêng thực 3,25 3,4 - 2,12,2

- Khối lƣợng riêng đổ 0,610,72 0,80,86 0,80,83 0,690,72

- Khối lƣợng riêng biểu kiến 1,2 1,6 1,1 1,62,0

Nhiệt dung, Kcal/kg.độ 0,22 0,24 0,24 0,2

Hàm lƣợng nƣớc, % trọng 7,0 Thay đổi 4,57 46

lƣợng Nhiệt độ tái sinh, 0C >177 121232 177315 150350

Khả năng hấp phụ hơi nƣớc, 79 47 46 912 kg nƣớc/ 100kg chất hấp phụ

I.4.2.2. Ôxit nhôm và  - Al2O3

a. Ôxit nhôm.

19

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Ôxit nhôm đƣợc điều chế bằng cách đem nung hydroxit nhôm, tuỳ thuộc

vào nhiệt độ tiến hành mà ta có các dạng oxit nhôm khác nhau. (Sơ đồ I).

Al2O3 tồn tại dƣới một số dạng thù hình tinh thể bền nhất là các dạng

() hình thoi và dạng () hình lập phƣơng.  - Al2O3 có trong tự nhiên dƣới

dạng khoáng vật corunđum, hồng ngọc, ngọc bích.  - Al2O3 tạo thành khi nung nóng hydroxit nhôm ở 5500C.

1200 C 0 250 C 0 0 900 C Gibbsit  -  - a l 2 o 3 a l 2 o 3  - a l 2 o 3

0 200 C 0 450 C  - a l 2 o 3 Bemit

0 180 C

Bayerit

0 1200 C 450 C 0 450 C 0  -  - a l 2 o 3 a l 2 o 3  - a l 2 o 3

Norrdstrandit

0 500 C Diaspor  - a l 2 o 3

Sơ đồ I: Sự phân huỷ nhiệt của hydroxit nhôm

Dựa vào cấu trúc ta có thể phân loại Al2O3 nhƣ sau:

Nhóm  có cấu trúc mạng lƣới diện bó chặt.

Nhóm  có cấu trúc mạng lƣới bát diện bó chặt luân phiên.

Nhóm  có cấu trúc mạng khối bó chặt.

Oxit nhôm đƣợc dùng làm chất hấp phụ để hạ nhiệt độ điểm sƣơng và

làm giảm hàm lƣợng ẩm có trong khí tự nhiên và khí đồng hành do nó có cấu

trúc xốp, diện tích bề mặt riêng lớn, có các tâm axit chịu đƣợc nƣớc… (Bảng

I.3).

20

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

21

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bảng I.3. Tính chất vật lí của oxit nhôm hoạt tính.

Chất hấp phụ và Hình Kích thƣớc Độ xốp bên Độ xốp Khối lƣợng Đƣờng Diện tích Khả năng hấp

ứng dụng của nó dạng hạt; mm trong của của lớp bề mặt phụ, g/g chất

hạt hạt x, % kính mao quản A0 phụ hấp phụ khó , % riêng xốp x' kg/m3

hấp m2/g

1. Nhôm oxit hoạt H - - 875 - 210 0,14 (2) 62,4

tính dùng để sấy H - - 750 - 310 - 0,850,25

khí và chất lỏng, H Hạt khác nhau 25 49 795 34 250 0,14 (2)

làm chất mang T 4,6 - 40 690 - 310

xúc tác, trung hoà V 25x16 60 - 13610 - 0,5 - 0,14 (2)

dầu bôi trơn, chất C 40 39 835 350 - 4,752,4 2080

xúc tác C - 45 720 64 360 0,20 (2) 62,4

C - 35 770 - 400; 310 - 0,10,04

C - - 880 - 350 0,2 (2) 63,4

Chú thích: H - dạng hạt; T - dạng hình trụ; V - dạng viên dẹt ; C - dạng hình cầu ;

(2) Theo nƣớc, độ ẩm tƣơng đối 100%.

22

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

23

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Tính chất hoá học bề mặt oxit nhôm liên quan trực tiếp đến tính hấp

phụ và tính xúc tác của nó. Do phụ thuộc vào nhiệt độ, oxit nhôm có thể hấp phụ nƣớc ở dạng ion OH- hoặc phân tử nƣớc. Khi tiếp xúc với nƣớc ở nhiệt

độ thƣờng, oxit nhôm hấp phụ nƣớc ở dạng phân tử không phân ly.

b. Ôxit nhôm dạng  - Al2O3.

Dạng  - Al2O3 không tìm thấy trong tự nhiên mà nó đƣợc tạo thành

khi nung Gibbsit, Bemit ở nhiệt độ, 450  6000C.

Khối lƣợng riêng của  - Al2O3 là 3,2  3,77 g/cm3.

Hệ số khuếch tán của tinh thể  - Al2O3 .

; n0 = 1,73 Ng = 1,69 ; Np = 1,69

Thông số ô mạng cơ sở của  - Al2O3 .

a = 7,70  7,96 A0 ; C = 7,82  7,92 A0.

Ngoài ra trên bề mặt của  -Al2O3 tồn tại hai loại tâm axit, tâm axit

Lewis có khả năng tiếp nhận điện tử từ phân tử chất hấp phụ, còn tâm axit

Bronsted có khả năng nhƣờng proton cho phân tử chất hấp phụ.

Do  - Al2O3 có bề mặt riêng, thể tích lỗ xốp và hình dáng kích

thƣớc mao quản lớn nên nó có khả năng hấp phụ hơi nƣớc trong khí tự

nhiên và khí đồng hành tốt hơn các oxit nhôm dạng  - Al2O3 và  - Al2O3 . Khi dùng  - Al2O3 điểm sƣơng của khí sau khi sấy có thể đạt tới - 730C (-1000F). Chính vì vậy mà em chọn  - Al2O3 làm chất hấp phụ cho đề tài này.

24

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình H7: Cấu trúc khối của  - Al2O3

I.4.3. Cân bằng pha của quá trình hấp phụ.

Ở một nhiệt độ nhất định và khi thời gian tiếp xúc pha đầy đủ thì

quá trình hấp phụ do bất kỳ lực nào tác dụng cũng sẽ đạt đến trạng thái

cân bằng. Phƣơng trình nồng độ cân bằng biểu diễn quan hệ giữa nồng

độ chất bị hấp phụ trong pha khí và trong pha rắn có dạng chung nhƣ

sau:

(I.3)

Trong đó:

- Nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha rắn, kg/kg

- Nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha khí, kg/kg

Trong trƣờng hợp chung, các yếu tố ảnh hƣởng lên quá trình hấp

phụ là áp suất và nhiệt độ. Nếu giữ nhiệt độ không đổi thì nồng độ chất

bị hấp phụ trong pha khí tỷ lệ với áp suất riêng phần của nó trong hỗn

hợp, do đó phƣơng trình nồng độ cân bằng có dạng sau:

= f (P) (I.4)

Trong đó :

P - Áp suất riêng phần của chất bị hấp phụ trong hỗn hợp khí,

mmHg.

I.4.4. Hoạt độ hấp phụ

Hoạt độ hấp phụ là đặc trƣng cơ bản của chất hấp phụ có hai loại hoạt

độ.

Hoạt độ tĩnh đƣợc đặc trƣng bởi lƣợng tối đa chất bị hấp phụ do một

đơn vị thể tích hay một đơn vị khối lƣợng chất hấp phụ hút đƣợc ở một nhiệt

25

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

độ và nồng độ nhất định của chất bị hấp phụ có trong pha khí (hơi) cho đến

khi đạt tới cân bằng.

Hoạt độ động đƣợc đặc trƣng bởi lƣợng tối đa chất lƣợng chất bị hấp

phụ do một đơn vị thể tích hay một đơn vị khối lƣợng chất hấp phụ hút đƣợc

trong khoảng thời gian tính từ khi bắt đầu hấp phụ cho đến khi xuất hiện chất

bị hấp phụ trong pha khí đi ra.

I.4.5. Các thuyết hấp phụ.

Để giải thích hiện tƣợng và quá trình hấp phụ ngƣời ta đƣa ra rất nhiều

thuyết hấp phụ, nhƣng phổ biến hơn cả là thuyết hấp phụ hoá học của Lang muir

và thuyết hấp phụ của Brunauer - Emmelt - Teller (gọi tắt là BET)

I.4.5.1. Thuyết hấp phụ Lang muir.

Thuyết này giải thích nguyên nhân hấp phụ là do phân tử hay nguyên

tử trên bề mặt chất hấp phụ chƣa bão hoà hoá trị, do lực hoá trị dƣ tạo ra liên

kết hoá học, lực hoá trị này rất ngắn không lớn hơn đƣờng kính phân tử, do

đó chỉ hấp phụ một lớp. Quá trình hấp phụ chỉ xảy ra trên những điểm đặc

biệt gọi là tâm hấp phụ.

Để tính toán hấp phụ đẳng nhiệt, Lang muir đƣa ra phƣơng trình:

(I.5)

Trong đó:

- lƣợng chất bị hấp phụ trong một đơn vị khối lƣợng hay thể tích

hấp phụ ở trạng thái cân bằng (nồng độ chất bị hấp phụ trong pha rắn);

A, B - hằng số, phụ thuộc vào tính chất của chất hấp phụ và chất bị

hấp phụ;

p - áp suất riêng phần của chất bị hấp phụ trong hỗn hợp khí.

Phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ (I.5) của Lang muir đƣợc chia làm ba

vùng:

26

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

a. Vùng áp suất riêng phần nhỏ, lúc đó đại lƣợng Ap ở mẫu số có thể

bỏ qua và quan hệ phụ thuộc (I.5) có dạng.

= ABp (I.6)

b. Vùng áp suất riêng phần lớn, lúc đó đơn vị 1 ở mẫu số có thể bỏ qua

và quan hệ phụ thuộc(I.5) có dạng:

= B (I.7)

Vùng trung gian ở giữa thì phƣơng trình (I.5) vẫn đƣợc sử dụng để

tính toán.

Tuy nhiên phƣơng trình (I.5) không áp dụng đƣợc đối với trƣờng hợp

hấp phụ đa phân tử.

I.4.5.2. Thuyết hấp phụ BET.

Thuyết này đƣợc thiết lập trên cơ sở giả thiết bề mặt chất hấp phụ là

đồng nhất và sự hấp phụ xảy ra trên nhiều lớp trong đó mỗi tiểu phân bị hấp

phụ ở lớp thứ nhất trở thành trung tâm hấp phụ đối với các tiểu phân ở lớp

thứ hai, mỗi tiểu phân bị hấp phụ ở lớp thứ hai trở thành trung tâm hấp phụ

đối với các tiểu phân lớp thứ ba…

Hình H.9. Mô hình hấp phụ vật lí nhiều lớp theo lí thuyết BET

27

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Các đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt thƣờng có 5 dạng điển hình nhƣ đƣợc

biểu diễn trên hình (H.10).

Hình H.10. Sáu kiểu đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt theo phân loại của

IUPAC

Trong đó:

nad - lƣợng chất bị hấp phụ

v - Thể tích chất bị hấp phụ.

p - Áp suất.

Đƣờng đẳng nhiệt kiểu I tƣơng ứng với các vật liệu vô cơ có cấu trúc

vi mao quản (d < 2nm) hoặc không có mao quản. Kiểu II và III là của vật

liệu vơ cơ có cấu trúc mao quản lớn (d > 50nm). Các vật liệu vô cơ có

đƣờng kính mao quản trung bình (2nm < d < 50nm) có các kiểu đƣờng đẳng

nhiệt đặc trƣng nhƣ kiểu IV và V.

Kiểu I là ứng với hấp phụ một lớp tuân theo phƣơng trình hấp phụ

đẳng nhiệt Lang muir. Các kiểu II - V là ứng với sự hấp phụ vật lí nhiều lớp

28

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

và tuân theo phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Brunauer - Emmelt - Teller,

gọi tắt là phƣơng trình BET.

Gọi S0 là phần bề mặt tự do, S1 - phần bề mặt bị che phủ bởi một lớp,

S2 - phần bề mặt bị che phủ bởi hai lớp, Si - i lớp chất hấp phụ.

Nhƣ vậy bề mặt chung sẽ là:

(I.8) S = S0 + S1 + S2 + … + Si

Khi sự hấp phụ đạt trạng thái cân bằng thì tốc độ hấp phụ lên bề mặt

S0 bằng tốc độ giải hấp từ bề mặt S1 do đó đối với lớp thứ nhất (i = 1), ta có:

(I.9) a1pS0 =

Trong đó:

P - áp suất chất bị hấp phụ.

Q1 - Nhiệt hấp phụ ở lớp thứ nhất.

a1, b1 - Các hằng số.

Với các lớp hấp phụ i bất kì ta cũng viết đƣợc các đẳng thức tƣơng tự

(I.9). Từ lớp thứ hai trở đi (i > 1) các hệ số.

ai = a , bi = b và nhiệt hấp phụ Qi bằng nhiệt ngƣng tụ hay nhiệt hoá

lỏng QL vì vậy đối với các lớp i > 1 ta có:

(I.10)

Với thì (I.10) trở thành.

(I.11)

Mặt khác, có thể chứng minh x = p/p0.

29

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trong đó:

P0 áp suất hơi bão hoà của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng. Thực vậy,

trên bề mặt  của chất lỏng, tốc độ ngƣng tụ bằng tốc độ bay hơi, do đó:

Từ đó suy ra:

Hoặc

(I.12)

So sánh (I. 11) và (I.12) ta có:

x = (I.13)

Tỉ số đƣợc gọi là áp suất tƣơng đối.

Riêng đối với lớp hấp phụ thứ nhất, từ (I.9) ta có:

(I.14)

So sánh (I.14) và (I.11) rút ra:

(I.15) = cx

(I.16) Với C =

Dựa vào các biểu thức (I.15) và (I.11) ta có thể biểu diễn các bề mặt Si

qua S0.

S0 = S0.

30

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

S1 = S0 cx. S2 = S1x = S0 cx2. S3 = S2x = S0cx3

……………. Si = Si-1x = S0cxi.



S =

= (I.17)

Nếu kí hiệu d là bề dày một lớp đơn phân tử thì thể tích vi của i lớp

hấp phụ sẽ bằng:

v0 = 0

v1 = S1d = S0cxd v2 = 2S2d = 2S0cx2d v3 = 3S3d = 3S0cx3d

…………………….. vi = iSid = iS0cxid



v =

= (I.18)

Chia (I.18) cho (I.17) đƣợc:

hoặc v = (I.19)

31

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trong đó:

vm = Sd là thể tích lớp hấp phụ đơn phân tử trên toàn bộ bề mặt S.

Thay x = trong hệ thức (I.19), biến đổi và rút ra:

(I.20)

Phƣơng trình (I.20) là phƣơng trình BET.

a. Nếu số lớp hấp phụ không phải vô tận mà bị giới hạn bởi n lớp

(trƣờng hợp sự hấp phụ xảy ra trong các mao quản của chất hấp phụ xốp) thì

thuyết BET dẫn đến phƣơng trình tổng quát:

v = (I.21)

Giá trị của hằng số c của biểu thức (I.16) trong phƣơng trình BET

quyết định hình dạng của các đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt.

Hình H.11: Các đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt ứng với các giá trị khác nhau các hằng số c

1. c = 1; 2. c = 11; 3. c = 100; 4. c = 10000.

Đƣờng thẳng nhiệt kiểu I hình (H.10) là ứng với sự hấp phụ một lớp,

các đƣờng đẳng nhiệt kiểu II - V là ứng với sự hấp phụ nhiều lớp.

Từ phƣơng trình (I.16) ta thấy, hệ số c càng lớn nếu Q1 càng lớn hơn

QL, khi này đƣờng thẳng nhiệt càng đi sát trục tung và điểm uốn càng rõ nét.

32

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Ngƣợc lại, nếu hệ số C  0 (Q1 >> QL) thì đƣờng đẳng nhiệt có khuynh

hƣớng bám sát trục hoành hình ( H.10).

Sự khác nhau giữa các đƣờng đẳng nhiệt kiểu II, III và IV, V là ở chỗ

hai kiểu đầu (II, III) ứng với sự hấp phụ trên bề mặt không xốp khi n  ,

còn lại (IV, V) ứng với sự hấp phụ trên chất hấp phụ xốp khi số lớn n là hữu

hạn.

b. Phƣơng pháp BET hiện nay đƣợc xem nhƣ phƣơng pháp tốt nhất để

xác định diện tích bề mặt. Tuy nhiên, thuyết này cũng có nhƣợc điểm:

- Đó là giả thiết về tính đồng nhất của bề mặt.

- Thuyết này chỉ tính đến tính tƣơng tác các phân tử theo hƣớng thẳng

góc với bề mặt mà bỏ qua tƣơng tác ngang.

I.4.6. Ảnh hƣởng của nhiệt độ.

I.4.6.1. Nhiệt hấp phụ.

Quá trình hấp phụ là một quá trình thƣờng toả nhiệt và dòng khí đi qua,

do đó nó có ảnh hƣởng không tốt đến quá trình hấp phụ. Quá trình này xảy ra

tốt hơn ở nhiệt độ thấp.

Trong thực tế, nhiệt hấp phụ của các chất hữu cơ không phụ thuộc vào

nhiệt độ mà chỉ phụ thuộc vào lƣợng hơi bị hấp phụ.

Công thức tính hoạt độ a đối với hấp phụ khí và hơi đƣợc biểu diễn ở

(I.17).

(I.17)

Trong đó:

W0 - Thể tích của không gian giới hạn hấp phụ.

33

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

b - Thể tích một milimol khí ở trạng thái bị hấp phụ, cm3/mmol.

a - Hệ số aphin

B - Hằng số.

TK, PK - Nhiệt độ và áp suất tới hạn.

Ngoài ra ta có thể tính nhiệt hấp phụ của một số chất nhƣ benzen, Ete

etylic, Rƣợu metylic, Cacbon tetra clorua… Theo công thức sau:

q = m. Xn (I.18)

Trong đó:

q - Nhiệt hấp phụ, KJ/kg than.

X - Lƣợng hơi nƣớc hấp phụ, l/kg than.

m, n - là các hằng số cho trƣớc.

Tuy nhiên, khi không có số liệu thực nghiệm thì nhiệt độ hấp phụ (tính

cho 1 mol khí) đƣợc xác định theo công thức gần đúng sau:

(I.19)

Trong đó:

q - Nhiệt hấp phụ, J/mol khí.

TS - Nhiệt độ, sôi của chất bị hấp phụ ở áp suất khí quyển, 0K.

Hằng số q/ phụ thuộc vào chất hấp phụ. Ngoài ra nhiệt hấp phụ

cũng có thể tính theo công thức sau đây:

34

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

, J/Kmol (I.20)

Trong đó:

P1, P2 - áp suất cân bằng của chất bị hấp phụ trên chất hấp phụ ở nhiệt

độ T1 và T2 tính theo 0K.

I.4.6.2. Nhiệt trong quá trình tái sinh.

Ta xét với quá trình hấp phụ nƣớc (sấy khí). Để tách chất khí bị hấp

phụ ra khỏi chất hấp phụ ta cần sử dụng một tác nhân nào đó để thực hiện

quá trình này.

Hình H.12. Chế độ nhiệt độ trong thiết bị tái sinh theo thời gian.

35

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trên hình (H.12) biểu diễn chế độ nhiệt trong thiết bị tái sinh theo thời

gian.

Trong đó:

1- Nhiệt độ khí tái sinh ở đầu vào thiết bị hấp phụ.

2- Sự thay đổi nhiệt độ ở đầu ra thiết bị hấp phụ khi tái sinh và làm

nguội.

3- Nhiệt độ khí tái sinh ở đầu vào thiết bị gia nhiệt (nhiệt độ sấy khí).

A - B- Chu kỳ quy trình tái sinh làm và nguội.

Trong đoạn thứ nhất nhiệt độ khí tái sinh đi ra khỏi lớp chất hấp phụ

đƣợc thay đổi từ T1 đến T2. Nhiệt độ tính toán trung bình trong khoảng này

bằng và đƣợc biểu diễn bằng đƣợc gạch nối trên hình vẽ. Trong

khoảng này nhiệt độ tiêu hao chủ yếu để đun nóng vật liệu lớp chất hấp phụ

và thiết bị. Khoảng thời gian là TA.

Trong đoạn thứ hai nhiệt độ thay đổi từ T2 đến T3 nhiệt độ trung bình

này là TB, trong đoạn này nhiệt tiêu hao chủ yếu cho việc đun nóng chất hấp

phụ và các cấu tử bị hấp phụ với thời gian là TB.

Trong đoạn thứ ba nhiệt độ khí tái sinh đi ra khỏi lớp chất hấp phụ

thay đổi từ T3 đến T4.

Khi nhiệt độ khí tái sinh ở đầu ra của lớp hấp phụ đạt đƣợc giá trị T4

việc đun nóng khí tái sinh trong lò chấm dứt, nhiệt độ trung bình là TC.

Trên đoạn thứ tƣ, chất hấp phụ đƣợc làm lạnh từ nhiệt độ T4 đến T5.

I.4.7. Động học của quá trình hấp phụ.

Quá trình hấp phụ xảy ra theo ba giai đoạn đó là các giai đoạn: chuyển

chất từ lòng pha hơi đến bề mặt ngoài viên, chuyển chất trong lòng hạt và

36

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

động học quá trình hấp phụ. Để rõ hơn về vấn đề này ta xét từng giai đoạn

riêng biệt của quá trình.

I.4.7.1. Chuyển chất từ pha hơi đến bề mặt ngoài viên.

Lƣợng chất bị hấp phụ truyền đến bề mặt ngoài viên trong một đơn vị

thời gian. Theo định luật cấp khối ta có:

(I.21) m = . Fh (C0 - CB)

Trong đó:

Fh - bề mặt ngoài của viên.

C0, CB - nồng độ chất trong pha và ở sát bề mặt viên.

 - Hệ số cấp khối, tính theo biểu thức:

(I.22) Sh = 2,0 + 1,1.

Trong đó:

, chuẩn số Shewood (I.23) Sh =

, Chuẩn số Shmidt (I.24)

(I.25)

Trong đó:

 - tốc độ pha lỏng (hơi) chảy qua lớp. Cùng với quá trình truyền chất

qua lớp giới hạn hƣớng vào viên còn có quá trình truyền nhiệt hấp phụ ra

khỏi bề mặt hạt. Lƣợng nhiệt tỉ lệ với lƣợng chất.

(I.26) Q = m.Cp (TB - TA) = m.H

(I.27) Hay Q = . Fh. (C0 - Cb) . H

37

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Và quá trình cấp nhiệt từ bề mặt ra:

(I.28) Q = . Fh. (T - T)

Trong đó:

 - Hệ số cấp nhiệt, và nó đƣợc tính theo biểu thức sau:

(I.29)

Từ (I.27) và (I.28) ta có:

(I.30)

(I.31) Hay

Trong đó:

 ;

m - chiều dày màng.

, chuẩn số Pran. Pr =

 - Khối lƣợng riêng;

C - Nhiệt lƣợng.

 - Hệ số dẫn nhiệt.

D - hệ số khuếch tán của pha hơi.

Đối với hấp phụ khí:

 5

thƣờng lớn.

38

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Do vậy, T ngay cả C nhỏ, hạt nóng hơn khí nhiều.

I.4.7.2. Chuyển chất trong mao quản.

Đây là một quá trình rất phức tạp.

- Với mao quản đƣờng kính lớn hơn quãng đƣờng tự do trung bình của

phân tử diễn ra khuếch tán phân tử.

- Với mao quản nhỏ thì khuếch tán KnudSen chiếm ƣu thế.

Cùng với quá trình trên còn có khuếch tán bề mặt, phân tử di chuyển

theo bề mặt mao quản vào trong lòng viên giống nhƣ chuyển đóng trong lớp

màng (lớp giới hạn).

Nếu ta gọi Dr là hệ số khuếch tán tổng của ba cơ chế đó thì dòng chất

bị hấp phụ đi vào mao quản là:

J = (I.32)

Trong đó:

l - độ dài thật của một mao quản

(I.33)

Nếu thay l bằng độ dài này của vật liệu xốp mao quản L, dòng trung

bình trên toàn mặt sẽ là:

(I.34)

Trong đó:

De – Hệ số khuếch tán hiệu dụng.

Nếu gọi độ xốp là  thì:

(I.35) J = . Jp

39

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Với JP là dòng trong các mao quản.

Lƣợng chất chuyển từ vị trí này đến vị trí kia không đổi nếu cùng

khoảng thời gian.

(I.36)

(I.37)

(I.38) Mà

Với T2 = là chỉ số khúc khuỷu

T2 phản ánh tính chất của chất hấp phụ.

I.4.7.3. Động học của quá trình hấp phụ.

Đây là bƣớc cuối cùng diễn ra do tƣơng tác của bề mặt và chất bị hấp

phụ là các lực vật lí.

Độ mạnh tƣơng tác là khác nhau đối với các phân tử khác nhau, tạo

nên một tập hợp bao gồm các phân tử nằm trên bề mặtvà nhiều lớp khác

nhau gần sát bề mặt, nhƣ màng chất lỏng tạo nên trở lực chủ yếu của giai

đoạn này.

Tuy nhiên, trở lực của hai giai đoạn trƣớc thƣờng giữ vai trò kiểm soát.

Trong điều kiện ổn định thì cân bằng vật chất trên bề mặt viên nhƣ sau:

(I.39)

rb – bán kính của viên.

40

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Biến đổi, nhân rb.

(I.40)

(I.41)

= B. iD: chuẩn số Bio trong chuyển khối.

Giá trị B. iD nói lên tƣơng quan giữa cấp khối và khuếch ttán trong

kiểm soát tốc độ chung của quá trình.

Vì là quá trình toả nhiệt nên trên bề mặt viênta cũng có cân bằng nhiệt:

(I.42) (Tb – T0) = .

(I.43)

Trong đó:

: Chuẩn số Bio trong nhiệt

Trong thiết bị hấp phụ, nhiệt đƣợc truyền ngƣợc chiều với dòng chất

bị hấp phụ.

Vậy sự cấp nhiệt từ bề mặt viên qua mang khí khó khăn hơn sự cấp

khối từ ngoài vào.

41

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƢƠNG II: CÔNG NGHỆ

II.1. CÁC PHƢƠNG PHÁP SẤY KHÔ KHÍ.

II.1.1. Phƣơng pháp hấp thụ.

Hấp thụ là sự hút khí vào trong lòng các chất lỏng hoặc chất rắn, hiện

tƣợng này xảy ra trong toàn bộ thể tích của chất hấp thụ. Hấp thụ có thể kèm

theo tƣơng tác hoá học.

Phƣơng pháp hấp thụ đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp sấy

khô khí tại các công trình ống dẫn khí cũng nhƣ trong các nhà máy chế biến

khí.

Chất hấp thụ thƣờng đƣợc sử dụng là các dung dịch nƣớc đậm đặc của

mono etanolamin (MEA) dietylenglycol (DEG), trietylen glycol (TEG),

Phƣơng pháp tách hơi nƣớc và hạ nhiệt độ điểm sƣơng cho khí tự

nhiên và khí đồng hành bằng các chất hấp thụ (DEG, TEG) là dựa vào sự

khác biệt về áp suất riêng của hơi nƣớc trong khí và trong chất hấp thụ.

Tuy nhiên, các chất hấp thụ dùng để sấy khí phải đáp ứng đƣợc những

yêu cầu sau:

- Có khả năng hấp thu hơi nƣớc trong khoảng rộng nồng độ, nhiệt độ

áp suất.

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

- Nhiệt độ sôi của chất hấp thụ phải khác xa với nhiệt độ sôi của nƣớc

để có thể dễ dàng nhả hấp thụ và tái sinh chất hấp thụ.

- Các chất hấp thụ phải có độ nhớt thấp đảm bảo tiếp xúc tốt với hỗn

hợp khí trong thiết bị hấp thụ.

42

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

- Các chất hấp thụ phải có độ chọn lọc cao đối với các cấu tử có mặt

trong khí.

- Có tính ăn mòn kém.

- Có độ bền nhiệt và bền oxy hoá cao.

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

- Không độc hại, không gây ô nhiễm môi trƣờng.

- Giá thành rẻ.

Một số tính chất hoá lý quan trọng của các glycol (xem ở bảng I.4).

Bảng I.4. Một số tính chất hoá lý quang trọng của các glycol.

Các đại lƣợng hoá lý EG DEG TEG PG

Khối lƣợng phân tử 62,07 106,12 150,18 76,09

1,116 1,118 1,125 1,034 Tỷ trọng tƣơng đối

Nhiệt độ sôi ở 760 mmHg, 0C 197,3 244,8 278,3 188,2

Nhiệt độ nóng chảy, 0C -13 -8 -7,2 -60

Nhiệt độ bắt đầu phân huỷ, 0C - 164 206 -

Nhiệt độ tái sinh,0C 165 164 206 -

Độ nhớt ở 200c, CP 20,9 35,7 47,8 56,0

Nhiệt dung riêng, kJ/h.kg.K 2,35 2,09 2,20 2,47

II.1.2. Phƣơng pháp hấp phụ.

Hấp phụ là sự hút các chất khí hoặc chất tan trong dung dịch bởi bề

mặt của một chất rắn hoặc chất lỏng bằng liên kết hoá học (hấp phụ hoá học)

hoặc bằng lực Vander Waals (hấp phụ vật lý).

43

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Phƣơng pháp hấp phụ cho phép đạt điểm sƣơng theo ẩm trong khoảng

100  2000c và sấy. Sâu khí đến điểm sƣơng – 85  -1000C . Quá trình sấy

không khí bằng các chất hấp phụ dựa vào khả năng của các vật thể rắn với

cấu trúc xác định hấp phụ lƣợng ẩm từ khí ở nhiệt độ tƣơng đối thấp và sau

đó tách ẩm khi tăng nhiệt độ. Trong phƣơng pháp này thì có hai quá trình

đồng thời xảy ra.

Quá trình đầu tiên xảy ra sự hấp phụ còn sau đó là quá trình nhả hấp

phụ. Sự kết hợp hai quá trình này trong một thiết bị cho phép tách ẩm (hơi

nƣớc) một cách liên tục từ khí. Sự sấy khô khí là một quá trình vật lý và hiệu

quả nó phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất.

Các chất hấp phụ thƣờng gặp và thông dụng vẫn là than hoạt tính,

silicagen, oxit nhôm hoạt tính, boxit hoạt tính, zeolit 4A và 5A. Các tính chất

của chất hấp phụ đƣợc sử dụng để sấy khí tự nhiên và khí đồng hành ( xem ở

Bảng I.2)

Với phƣơng pháp hấp phụ này thì các chất hấp phụ phải đáp ứng đƣợc

các yêu cầu nhƣ.

- Các chất hấp phụ này phải có cấu trúc xốp.

- Có các tâm axit.

- Dễ tạo viên

- Chịu đƣợc nƣớc.

- Dễ hoàn nguyên

- Không độc hại và gây ăn mòn.

- Rẻ, dễ tìm.

44

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

II.1.3. Lựa chọn phƣơng pháp.

Hai phƣơng pháp hấp thụ và hấp phụ thƣờng đƣợc sử dụng rộng rãi vì

sơ đồ thiết bị đơn giản, dễ tính toán thiết kế, dễ vận hành, giá thành thấp, ít

tiêu hao tác nhân sấy khí, các chất hấp thụ và hấp phụ dễ chế tạo.

Với phƣơng pháp hấp thụ.

- Ƣu điểm của phƣơng pháp này là độ hút ẩm cao, độ bền cao khi có

mặt các hợp chất lƣu huỳnh, oxy và CO2 (DEG, TEG), dung dịch đậm đặc

không bị đông đặc (DEG), khí tái sinh thu đƣợc dung dịch có nồng độ cao

(TEG), có thể đồng thời vừa sấy khô vừa làm sạch khí và khả năng tạo màng

thấp (MEA).

- Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này lại là sự tiêu ha do thất thoát lớn

(DEG, MEA), đòi hỏi chi phí đầu tƣ cao (TEG, DEG), dễ gây ăn mòn kim

loại ở nhiệt độ tái sinh và điểm sƣơng của khí thấp (MEA).

Với phƣơng pháp hấp phụ:

- Ƣu điểm của phƣơng pháp này là có thể sấy khí khi cần với độ hạ

điểm sƣơng tới 1000C  1200C và khí sau khi sấy có điểm sƣơng rất thấp -

850C  -1000C do đó việc tách hơi nƣớc trong khí tự nhiên và khí đồng hành

triệt để hơn phƣơng pháp hấp thụ nhờ chất hấp phụ có bề mặt riêng lớn cùng

với các tâm axit và độ bền cơ, bền nhiệt cao do đó quá trình rất đơn giản,

thuận tiện.

Từ các ƣu điểm này em lựa chọn phƣơng pháp sấy hấp phụ với chất

hấp phụ là  - Al2O3 do phƣơng pháp này phù hợp với đề tài và quan trọng

hơn là khí thu đƣợc sau khi sấy có điểm sƣơng rất thấp -850C  -1000C, độ

giảm hàm lƣợng ẩm có trong khí cao.

45

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

II.2. CÔNG NGHỆ SẤY KHÍ BẰNG PHƢƠNG PHÁP HẤP PHỤ

Hiện nay có hàng loạt sơ đồ công nghệ sấy hấp phụ khí với các chu kỳ

tái sinh kín và hở. Trong các sơ đồ công nghệ này thì các quá trình hấp phụ

có thể thực hiện gián đoạn trong thiết bị với lớp hấp phụ cố định hoặc liên

tục với các thiết bị chứa các lớp hấp phụ chuyển động.

II.2.1. Công nghệ sấy với chu trình tái sinh kín.

a. Sơ đồ công nghệ.

Sơ đồ công nghệ sấy khí với chu trình tái sinh kín đƣợc trình bày trên

hình (H.13)

46

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình H.13. Sơ đồ công nghệ sấy khí với chu trình tái sinh kín

1. Thiết bị điều chỉnh lƣu lƣợng. I. Khí nguyên liệu

2. Tháp phân ly II. Khí đã sấy khô

3. Máy lạnh. III. Nƣớc

4. Tháp hấp phụ.

5. Tháp làm nguội

6. Thiết bị tái sinh

47

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

7. Thiết bị gia nhiệt

8. Thiết bị trao đổi nhiệt

9. Máy nén

b. Nguyên tắc hoạt động.

Khí ban đầu đem đi sấy (I) cho và tháp hấp phụ (4) tại đây dòng ẩm đi

từ trên xuống dƣới. Ở đây ta thu đƣợc khí đã sấy khô, một phần đƣợc lấy ra

ngoài và một phần đƣợc đƣa vào đỉnh của thiết bị làm nguội (5). Khí đã làm

nguội sau khi trao đổi nhiệt với khí đem tái sinh đƣợc trộn với khí khô ra

ngoài. Khí tái sinh đƣợc tuần hoàn trong hệ tái sinh sau khi qua trao đổi nhiệt

với khí làm nguội đƣợc đƣa đến thiết bị gia nhiệt (7) gia nhiệt đến nhiệt độ ái

sinh cho vào đỉnh của thiết bị tái sinh (6).

Khí tái sinh ở đáy đƣợc làm lạnh và đƣa đến thiết bị phân lý (2) nƣớc

đƣợc tách ra ở đáy ở đỉnh khí đƣợc máy nén (9) nén tuần hoàn trở lại.

II.2.2. Công nghệ sấy khí với chu trình tái sinh hở.

Với chu trình tái sinh hở ngƣời ta đã đƣa ra rất nhiều phƣơng án khác

nhau cùng với các công nghệ.

Sau đây là một số phƣơng án hay đƣợc sử dụng nhất.

II.2.2.1. Phương án 1.

a. Sơ đồ công nghệ.

Sơ đồ công nghệ của phƣơng án 1 đƣợc thể hiện trên hình (H.14).

48

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình H.14. Sơ đồ công nghệ phƣơng án 1.

1. Thiết bị điều chỉnh lƣu lƣợng

2. Thiết bị phân ly

3. Máy lạnh

4. Tháp hấp phụ

5. Tháp tái sinh

6. Tháp làm nguội

49

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

7. Thiết bị gia nhiệt

I. Khí nguyên liệu.

II. Khí đã sấy

III. Nƣớc

b. Nguyên lý làm việc.

Khí nguyên liệu đƣợc đƣa vào tháp hấp phụ (4) với lƣu lƣợng đƣợc

điều chỉnh nhờ thiết bị (1). Tại đây xảy ra quá trình hấp phụ khí ẩm đi từ trên

xuống, ở đáy ta thu đƣợc khí đã sấy khô.

Một phần khí ẩm ban đầu qua thiết bị làm nguội (6), khí sau khi qua

thiết bị làm nguội đƣợc đƣa qua thiết bị gia nhiệt (7) để gia nhiệt đến nhiệt

độ tái sinh ( nhiệt độ này phụ thuộc vào bản chất hoá, lý của chất bị hấp phụ

và chất giải hấp phụ) và cho vào đỉnh của thiết bị tái sinh (5). Ở đây ta thu

đƣợc khí tái sinh có chứa một lƣợng ẩm cho qua thiết bị làm lạnh (3) rồi đến

thiết bị phân ly (2), tại đây nƣớc đƣợc ngƣng tụ và tách ra ở đáy ở đỉnh ta thu

đƣợc khí khô lẫn ít nƣớc, đƣợc tuần hoàn trộn với khí ban đầu.

II.2.2.2. Phương án 2.

a. Sơ đồ công nghệ.

Sơ đồ công nghệ của phƣơng án 2 đƣợc thể hiện trên hình (H.15)

50

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình H.15. Sơ đồ công nghệ phƣơng án 2.

1. Thiết bị điều chỉnh

2. Thiết bị phân ly

3. Thiết bị làm lạnh

4. Tháp hấp phụ

5. Tháp tái sinh

6. Tháp làm nguội

7. Thiết bị gia nhiệt

8. Thiết bị trao đổi nhiệt

I. Khí nguyên liệu

II. Khí đã sấy

III. Nƣớc

51

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

b. Nguyên tắc hoạt động.

Khi nguyên liệu đƣợc đƣa vào thiết bị hấp phụ (4) với lƣu lƣợng đƣợc

điều chỉnh nhờ thiết bị (1).Tại đây quá trình hấp phụ xảy ra. Khí ẩm đi từ

trên xuống dƣới ở đáy ta thu đƣợc khí đã sấy khô, một phần khí ẩm sau khi

qua thiết bị trao đổi nhiệt (8) đến thiết bị gia nhiệt (7) ở đây khí đƣợc gia

nhiệt đến nhiệt độ tái sinh và đƣa vào đỉnh của thiết bị tái sinh (5), ở đáy là

khí tái sinh chứa ẩm cho qua thiết bị phân ly (2) sau khi đã làm lạnh ở thiết

bị làm lạnh (3) nƣớc đƣợc tách ra ở đáy (2). Khí khô ở đỉnh cho vào thiết bị

làm nguội (6) khí đƣợc làm nguội trao đổi nhiệt với khí ẩm đem tái sinh rồi

quay về trộn với khí ban đầu.

II.2.2.3. Phương án 3.

a. Sơ đồ công nghệ của phương án 3 được thể hiện trên hình (H.16)

52

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình H.16: Sơ đồ công nghệ phƣơng án 3

1. Thiết bị điều chỉnh lƣu lƣợng

2. Thiết bị phân ly

3. Máy lạnh

4. Tháp hấp phụ

5. Tháp tái sinh

6. Tháp làm nguội

7. Thiết bị trao đổi nhiệt

I. Khí nguyên liệu

II. Khí đã sấy khô

III. Nƣớc

b. Nguyên lý hoạt động.

Khí nguyên liệu đƣa vào tháp hấp phụ sấy khô (4) lƣu lƣợng đƣợc

điều chỉnh nhờ thiết bị (1). Khí ẩm đi từ trên xuống, ở đáy của (4) ta thu

đƣợc khí đã sấy khô, một phần lấy ra ngoài, phần còn lại cho qua thiết bị làm

lạnh (6). Khí ở đáy sau khi trao đổi nhiệt với khí ban đầu trƣớc khi đi vào tái

sinh đƣợc trộn với khí đã sấy và lấy ra ngoài.

Khí ẩm ban đầu sau khi trao đổi nhiệt đƣợc đƣa đến thiết bị gia nhiệt

(7) gia nhiệt đến nhiệt độ tái sinh rồi cho vào đỉnh của thiết bị tái sinh (5),

khí tái sinh ở đáy sau khi đƣợc làm lạnh đƣa đến thiết bị phân ly (2), ở đây

nƣớc đƣợc tách ra ở đáy, khí ở đỉnh của thiết bị này đƣợc tuần hoàn trở lại

trộn với khí ban đầu.

II.2.3. Chọn công nghệ tính toán thiết kế.

II.2.3.1. Lựa chọn công nghệ

Xét chu trình tái sinh hở nhả hấp phụ và làm lạnh bằng khí ẩm.

53

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

- Với công nghệ của phƣơng án 1, khí ẩm đi vào giai đoạn làm lạnh

hấp phụ sau đó là giai đoạn nhả hấp phụ hơi nƣớc tái sinh chất hấp phụ.

Phƣơng án này có ƣu điểm là tận dụng đƣợc nhiệt của khí tái sinh đi ra

từ thiết bị hấp phụ làm lạnh để đốt nóng khí tái sinh nhƣng nó lại có nhƣợc

điểm là quá trình sử dụng khí ẩm sẽ dẫn đến bão hoà một phần chất hấp phụ

dẫn đến dung lƣợng của chất hấp phụ bị giảm xuống.

- Với công nghệ của phƣơng án 2, nhả hấp phụ hơi ẩm qua tái sinh rồi

mới tới giai đoạn làm lạnh.

Phƣơng án này có ƣu điểm là tận dụng đƣợc nhiệt của khí ở thiết bị

làm nguội, nhiệt lạnh ở tháp phân ly.

- Với công nghệ của phƣơng án 3, làm lạnh bằng khí khó cho phép thu

đƣợc khí có hàm ẩm thấp.Tuy nhiên nhƣợc điểm của phƣơng án này lại là sự

tiêu hao khí tái sinh lớn.

Xét chu trình tái sinh kín:

- Với công nghệ của chu trình này ta thấy rằng quá trình tái sinh và

hấp phụ làm nguội đều sử dụng khí có hàm ẩm thấp (khí khô - khí đã sấy)

dẫn đến kết quả sấy có hiệu quả cao hơn nhƣng ngƣợc lại, chi phí đầu tƣ và

chi phí vận hành của phƣơng án này cao hơn so với phƣơng pháp tái sinh chu

trình hở.

Từ các nhận xét về ƣu nhƣợc điểm của các chu trình tái sinh kín và hở

ở trên ta thấy rằng chu trình tái sinh kín có chi phí vận hành và chi phí đầu tƣ

cao nên trong công nghiệp chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành ngƣời ta

thƣờng sử dụng chu trình tái sinh hở đồng thời sử dụng khí tái sinh là khí có

hàm lƣợng ẩm nhỏ (khí đã sấy khô) do chu trình này dễ vận hành và kinh tế

hơn cũng nhƣ tính ổn định và hiệu quả sấy cao hơn.

II.2.3.2. Sơ đồ công nghệ.

54

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Sơ đồ công nghệ sấy khí bằng phƣơng pháp hấp phụ với chu trình tái

sinh hở dùng chất hấp phụ là  - Al2O3 đƣợc mô tả trên hình (H.17).

Hình H.17: Sơ đồ nguyên lý công nghệ sấy khí bằng phƣơng pháp hấp phụ

1. Thùng chứa

2,3. Tháp hấp phụ

4. Bơm

5. Thiết bị làm nguội

6. Tháp tách nƣớc ngƣng tụ

7. Thiết bị gia nhiệt

8. Điều khiển lƣu lƣợng dòng

I. Khí đƣa vào sấy

II. Khí sau khi sấy

55

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

III. Khí đƣa qua gia nhiệt để tái sinh

IV. Khí ẩm sau tái sinh chất hấp phụ

II.2.3.3. Nguyên lý hoạt động.

- Trên sơ đồ hình (H.17), ta sử dụng hai tháp hấp phụ có cấu tạo

hoàn toàn giống nhau. Mộttháp hấp phụ còn tháp kia là tháp nhả hấp

phụ (dùng tái sinh chất hấp phụ).

Quá trình hấp phụ đƣợc thực hiện ở 25  400C, áp suất 2  5 Mpa.

Quá trình nhả hấp phụ để tái sinh chất hấp phụ đƣợc thực hiện ở áp suất

khí quyển và nhiệt độ cao (tuỳ thuộc từng chất hấp phụ).

Khí cần sấy đƣợc đƣa vào bình chứa (1) rồi dẫn đến tháp hấp phụ

(2). Tại đây xảy ra quá trình hấp phụ, nƣớc đƣợc giữ lại trong chất hấp

phụ, dòng khí ẩm đi từ trên xuống ở đáy ta thu đƣợc khí khô. Một phần

đƣợc lấy ra còn một phần đƣợc đƣa qua thiết bị gia nhiệt (7) để gia

nhiệt đến nhiệt độ tái sinh rồi đƣa vào tháp tái sinh (3).

Khí tái sinh đi từ dƣới lên, ở đỉnh của tháp này ta thu đƣợc khí có

chứa hơi nƣớc dẫn đến thiết bị làm nguội (5), sau đó đến thiết bị tách

nƣớc ngƣng (6). Tại đây nƣớc ngƣng đƣợc tách ra ở đáy, khí thoát ra ở

đỉnh đƣợc tuần hoàn trở lại trộn với khí ban đầu nhờ bơm (4) và thiết bị

điều khiển lƣu lƣợng dòng (8).

Tháp sau khi tái sinh đƣợc thổi khí khô để làm nguội và sẵn sàng

làm nhiệm vụ hấp phụ. Quá trình xảy ra tƣơng tự, với tháp (3) đóng vai

trò là tháp hấp phụ còn tháp (2) là tháp tái sinh và cứ tiếp tục nhƣ vậy.

- Ƣu điểm: Sơ đồ công nghệ đơn giản, dễ vận hành nhờ vào sự

đóng mở của các van. Các tháp có thể làm việc luân phiên nhau cho

phép thực hiện quá trình sấy khí liên tục.

56

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

- Nhƣợc điểm: Trong quá trình làm việc thì khả năng hấp phụ của

chất hấp phụ bị giảm dần do tạo cốc trên bề mặt làm giảm hoạt tính (nhất là

lớp trên cùng).

- Khắc phục: Tuỳ thuộc vào bản chất và điều kiện làm việc của chất

hấp phụ mà ta có thể đƣa ra các biện pháp khắc phục hoặc thay thế chúng

(khoảng từ 2  5 năm).

57

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

PHẦN II

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

CÔNG NGHỆ

58

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

II.1. CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

- Thành phần khí đồng hành của mỏ Bạch Hổ (Bảng II.1), với nhiệt độ

đầu vào dòng khí nguyên liệu là 250C.

- Khí trƣớc khi sấy có nhiệt độ điểm sƣơng ts = -100C và sau khi sấy

có ts = -350C.

- Áp suất là P = 5MPa.

- Năng suất là 5.106 m3 khí/ngày đêm.

- Với chất hấp phụ là  - Al2O3.

BảngII.1. Thành phần khí đồng hành của mỏ Bạch Hổ (% theo thể tích)

Các cấu tử Khí đồng hành của mỏ Bạch Hổ

78,82 C1

12,87 C2

6,58 C3

+

1,34 C4

0,39 C5

100

II.2. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY KHÔ BẰNG PHƢƠNG PHÁP HẤP PHỤ.

1. Vận tốc khối lƣợng.

(II.1) Um = (78. c. k. h. Dhg)0,5

Trong đó:

Um - vận tốc khối lƣợng khí, kg/cm2.

k - Khối lƣợng riêng khí ở điều kiện làm việc, kg/m3.

59

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

h - Khối lƣợng riêng trung bình chất hấp phụ, kg/m3.

Dh - đƣờng kính trung bình chất hấp phụ, m.

c - hằng số (c = 0,25  0,033).

g - Gia tốc rơi tự do.

Với c = 0,03 ; Dh = 4(mm) = 0,004 (m);

h = 835 (kg/m3); g = 9,81 (m/s2)

Tính k:

Ta có: T = 25 + 273 = 2980K

P = 5MPa

Cấu tử M M' yi Pc P'c Tc T'c

0,882 4,60 3,5705 191 148,254 16,043 12,5456 C1

0,1287 4,88 0,6246 305 39,04 30,07 3,8700 C2

0,0658 4,25 0,272 370 23,68 44,097 2,9016 C3

+

0,0134 3,80 0,044 425 4,93 58,124 0,7788 C4

0,0039 3,37 0,0129 569 2,9588 72,15 0,281 C5

4,524 218,863 20,5415

Áp suất rút gọn của hỗn hợp:

= 1,1

Nhiệt độ rút gọn của hỗn hợp.

= 1,36

60

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Tra giản đồ Katz (hình H.18) ta tìm đƣợc hệ số chịu nén z từ P'r và T'r

đã tìm đƣợc:

z = 0,86

Từ phƣơng trình trạng thái:

PV = zRT và  =

Ta nhận đƣợc công thức tính tỷ trọng thực của khí ở nhiệt độ T

=2980K và P = 5 MPa.

(II.2)

Trong đó: M' - khối lƣợng phân tử.

Thay các giá trị vào (II.2) ta có tỷ trọng thực của khí:

= 48,23 (kg/m3).

Nên:

= 60,81 (kg/cm2)

Um = (78 . 0,03 . 48,23 835 . 0,004 . 9,81)0,5

61

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Z= 0,86

1,1

Hình H.18: Giản đồ Katz xác định hệ số chịu nén

ở các giá trị áp suất thấp

62

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2. Xác định khối lƣợng nƣớc tách từ khí trong chu kỳ hấp phụ.

Khối lƣợng nƣớc tách từ khí trong chu kỳ hấp phụ đƣợc xác định theo

công thức:

(II.3)

Trong đó:

n - Số chu kỳ trong một ngày đêm (n = 3)

1, 2 - lƣợng ẩm trƣớc và sau khi sấy.

v - năng suất khí cần sấy.

Từ giản đồ hàm ẩm của khí tự nhiên khô ngọt (hình H.19) ta xác định

đƣợc lƣợng ẩm trƣớc và sau khi sấy.

- Trƣớc khi sấy khí có nhiệt độ điểm sƣơng ts = -100C tại P = 5MPa, từ

hình (H.19) ta có:

1 = 66 (kg / 106m3).

- Sai khi sấy khí có nhiệt độ điểm sƣơng ts = -350C tại P = 5MPa, từ

hình (H.19) ta có:

2 = 12 (kg / 106m3).

- Với năng suất công nghệ là 5.106m3/ngày đêm và một chu kỳ làm

việc là 8h, do đó hàm ẩm cần tách là:

= 90 (kg/chu kỳ)

(1 chu kỳ làm việc là 8h)

63

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

' = 600

1 = 66

2 = 12

-100C

250C

Hình H.19: Hàm lƣợng ẩm của khí tự nhiên khô ngọt

64

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3. Đƣờng kính của tháp hấp phụ.

Đƣờng kính của tháp hấp phụ đƣợc tính theo công thức:

(II.4)

Trong đó:

V - thể tích khí cần sấy khô, m3/phút.

D - đƣờng kính tháp hấp phụ, m.

vp - Vận tốc tuyến tính, m/s

Theo biểu thức (19.11) Gas condetioning and processing volume 2 ta

có:

(II.5)

Trong đó:

c - Hằng số, c = 1200

Dp - đƣờng kính trung bình của  - Al2O3

g - Khối lƣợng riêng của khí.

Thay số vào (II.5) ta có:

= 10,93 (m/s)

Thay giá trị này vào (II.4) ta đƣợc:

= 2,597 (m)

Quy chuẩn D = 2,6 (m).

65

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

4. Tính vận tốc tuyến tính của khí trong tiết diện tự do của tháp hấp phụ

ở điều kiện làm việc:

= 10,93 (m/s)

5. Xác định tải trọng riêng của lớp nƣớc (kg/h.m2):

(II.6)

Trong đó:

 - Thời gian của chu kỳ, h.

- Khối lƣợng của nƣớc tách trong một chu kỳ

Thay số vào (II.6) ta có:

= 2,2 (kg/h.m2)

6. Chiều dài vùng hấp phụ:

(II.7)

Trong đó:

A - Hằng số, A = 31,3

q - Tải trọng riêng.

- Độ ẩm tƣơng đối.

v1 - Vận tốc tuyến tính.

66

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

- Xác định độ ẩm tƣơng đối:

+ Độ ẩm ban đầu:

1 = 66 (kg/106m3).

+ Độ ẩm bão hoà của khí tại t = 250C, và P = 5MPa ta xác định đƣợc

độ ẩm bão hoà của khí từ hình (H.19) là:

' = 600 (kg/106m3).

Ta có, độ ẩm tƣơng đối.

. 100 = 11 (%)

Thay các giá trị trên vào (II.7).

= 22 (cm) lvh = 31,3 .

Hay lvh = 0,22 (m).

7. Dung lƣợng ẩm cân bằng động của lớp ad (%) tìm đƣợc từ hình (H.20)

và hình (H.21):

- Dung lƣợng ẩm động của lớp ad đƣợc tính theo phƣơng trình.

(II.8)

Trong đó:

H - Chiều cao lớp hấp phụ theo điều kiện tỉ lệ H/D từ 2 đến 5. Với tỉ lệ

lớn có thể xuất hiện sự tổn thất áp suất lớn nên ta chọn

H = 2. D = 2. 2,6 = 5,2m

ap - độ ẩm cân bằng động.

Từ hình (H.20) và hình (H.21) ta tìm đƣợc.

67

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ap = 0,98

Thay vào (II.8) ta có:

= 0,96 (kg H2O / 100kg  - Al2O3).

8. Chiều cao cần thiết của lớp hấp phụ động:

(II.9)

Thay số vào (II.9) ta có:

= 2,2 (m)

Ta thấy l1 < H (hợp lí).

Hình H.20: Sự phụ thuộc độ ẩm cân bằng động ap của chất hấp phụ tinh khiết với độ ẩm tƣơng đối của khí đối với hằng số nhiệt độ là 250C.

68

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1,0 0,98 0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

30

50

70

40 Nhiệt độ, 0 C

1. Silicagen ; 2. Rây phân tử ; 3. Oxit nhôm

Hình H.21: Hệ số hoặc chỉnh nhiệt độ Cap với

độ ẩm của Silicagen và oxit nhôm

9. Thời gian hoạt động của lớp cho đến khi có ẩm xuyên qua:

(II.10)

Thay số vào (II.10) ta đƣợc:

= 8 (h)

Do chu kỳ hấp phụ đã chọn là  = 8 (h) do đó giá trị 1 = 8(h) thoả

mãn yêu cầu.

69

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

10. Tổn thất khi khí chuyển động qua lớp hạt chất hấp phụ đƣợc xác

định theo biểu thức:

(II.11)

Trong đó:

f - Hệ số ma sát

k - Khối lƣợng riêng của khí, kg/m3

vp - Vận tốc tuyến tính, m/s

g - Gia tốc trọng lực, m/s2

 - độ rỗng, m3/m3 chất hấp phụ.

Với  = 39 (m3/m3) ; dp = 4(mm) = 0,004 (m)

g = 9,81 (m/s2) ; k = 48,23 (kg/m3)

vp = 10,93 (m/s)

và hệ số ma sát f đƣợc xác định nhƣ hàm của chuẩn số Reynolds theo

hình (H.22).

Chuẩn số Reynolds cho môi trƣờng xốp tính theo công thức:

(II.12)

Trong đó:

- Độ nhớt tuyệt đối của khí.

Theo Sổ tay quá trình và công nghệ hoá học thì

m1, m2 - Nồng độ của các cấu tử.

70

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1, 2 - Độ nhớt của các cấu tử.

Tth1, Tth2 - Nhiệt độ tới hạn.

Tra bảng và tính đƣợc:

(Ns/m2)

Thay vào (II.12) ta có:

= 278

Từ hình (H.22) ta tìm đƣợc hệ số ma sát f = 5.

Thay các giá trị vào (II.11) ta có:

1000

100

t á s a m ố s ệ H

10

0,1

1,0

10

100

1000

Số Reynolds Re

= 5020 (kg/cm2) = 49,2 (KPa)

Hình H.22. Sự phụ thuộc hệ số ma sát dòng khí trong lớp hấp phụ

71

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

với số Reynold.

II.3. TÍNH TOÁN QÚA TRÌNH TÁI SINH CHẤT HẤP PHỤ TRONG QÚA

TRÌNH SẤY.

Ta sử dụng kết quả thu đƣợc khi tính giá trị hấp phụ để tính chu kỳ tái

sinh. Quy trình cơ bản tính toán công nghệ tái sinh gồm việc xác định tải

nhiệt trung bình tối ƣu cần thiết để tách nƣớc từ lớp chất hấp phụ.

Tổng nhiệt lƣợng cần thiết bao gồm nhiệt tiêu hao cho việc đun nóng

chất hấp phụ, thiết bị, nƣớc đến nhiệt độ sôi, cho bay hơi nƣớc và các

hydrocacbon bị hấp phụ.

1. Nhiệt Q1 cần thiết để đun  - Al2O3 đƣợc xác định theo biểu thức:

(II.12) Q1 = G1C1 (T4 - T1)

Trong đó:

G1 - Khối lƣợng chất hấp phụ, kg.

T4 - Nhiệt độ khi tái sinh ở đầu ra khỏi lớp chất hút nƣớc tái sinh ở cuối chu kỳ đun, 0C. Thƣờng giá trị đầu tiên của nhiệt độ tái sinh đƣợc chọn

trong khoảng 0,3  0,5T (với T là nhiệt độ tái sinh ở đầu ra khỏi lò).

T1 - nhiệt độ quá trình hấp phụ, 0C.

C1 - Nhiệt dung riêng chất hút nƣớc tái sinh, C1 = 0,24.

+ Nhiệt độ tái sinh của  - Al2O3 nằm trong khoảng 177  3150C nên

ta chọn T4 = 2500C.

+ Khả năng hấp phụ nƣớc của  - Al2O3 từ 4  7 kg/100kg chất hấp

phụ.

+ Quá trình hấp phụ là quá trình vật lí kèm theo sự toả nhiệt, và quá

trình này thực hiện ở nhiệt độ T1 = 400C.

72

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Khi này ta có khối lƣợng chất hấp phụ:

= 1250 (kg) G1 = 100.

Thay các giá trị vào (II.12) ta có:

Q1 = 1250 . 0,24 (250 - 40) = 63000 (KJ/h)

2. Nhiệt Q2 cần để đun nóng thiết bị đƣợc xác định theo biểu thức:

Q2 = G2C2 (T4 - T1)

(II.13)

Trong đó:

G2 - Khối 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.

Ta chọn thép CT3 làm tháp, khi này ta có.

C2 = 0,5 . 103 (KJ/kg0C).

+ Chiều cao của tháp.

Ht = H + 2 = 5,2 + 2 = 7,2 (m)

Mặt khác: (II.14)

Trong đó:

t - Khối lƣợng riêng của thép CT3 ,  = 7850 (kg/m3).

Dn, Dt - đƣờng kính ngoài và đƣờng kính trong của tháp

- Chọn chiều dày tháp  = 5 (mm)

Thay vào (II.14) ta có:

. 7,2 . 7850

= 2311,6 (kg)

73

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Khi này:

G2 = 1,01 .

= 1,01 . 2311,6 = 2334,72 (kg)

Thay các giá trị trên vào (II.13)

Q2 = 2334,72 . 0,5 . 103 . (254 - 40)

= 245145,6 (kJ/h)

3. Nhiệt Q3 cần để đun nóng nƣớc đến nhiệt độ sôi đƣợc xác định theo

biểu thức:

(II.15) Q3 = C1 (T2 - T1)

Trong đó:

- Khối lƣợng nƣớc đƣợc hấp phụ bởi chất hấp phụ trong chu

trình hấp phụ.

T2 - Nhiệt độ sôi của nƣớc, T2 = 1000C.

C1 - Nhiệt dung riêng của nƣớc.

C1 = 4,189 (KJ/kg0C)

Thay số vào (II.5) ta có:

Q3 = 90 . 4,189 (100 - 40) = 22620,6 (kJ/h)

4. Nhiệt Q4 cần để bay hơi nƣớc:

. (II.16) Q4 =

Trong đó:

- Nhiệt bay hơi nƣớc, = 2260 . 103 (J/kg)

Thay vào (II.16) ta có:

74

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Q4 = 90 . 2260 . 103 = 203400 (kJ/h)

5. Nhiệt Q5 cần để bay hơi các hydro cacbon đƣợc hấp phụ trong quá

trình hấp phụ:

Do nhiệt cần để bay hơi các hydrocacbon đƣợc hấp phụ trong quá

trình hấp phụ bằng 20% nhiệt cần để bay hơi nƣớc nên ta có:

(II.17) Q5 = 0,2 . Q4.

= 0,2 . 203400 = 40680 (kJ/h)

6. Tổng nhiệt lƣợng cần cung cấp cho quá trình tái sinh:

(II.18) Q = 1,05 (Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5)

= 1,05 . 574846,2 = 603588,51 (hJ/h)

7. Lƣợng nhiệt mất mát ra môi trƣờng:

Lƣợng nhiệt mất mát ra môi trƣờng bằng 5% tổng nhiệt lƣợng cần

cung cấp cho quá trình tái sinh, khi này ta có:

Qm = 0,05 . Q

= 0,05 . 603588,51 = 30179,43 (KJ/H)

8. Lƣợng nhiệt riêng cần để giải hấp 1 đơn vị khối lƣợng nƣớc

hấp phụ:

(II.20)

Hay: = 6706,539 (kJ/kgH2O)

9. Xác định khối lƣợng khí tái sinh:

(II.21) Q = GK . CK (Tts - T1)

Trong đó:

GK - Khối lƣợng khí đem tái sinh.

75

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CK - Nhiệt dung riêng trung bình của hỗn hợp khí.

+ Tính GK:

Tra sổ tay quá trình và công nghệ hoá học ta tìm đƣợc:

CK = 2,455 (KJ/kg0C)

Từ (II.21) ta có:

(II.22)

= = 1170,77 (kg)

10. Thể tích khí tái sinh:

(II.23) Vts =

= 24,275 (m3) Hay Vts =

76

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

KẾT LUẬN

Sau thời gian nghiên cứu và tính toán thiết kế công nghệ sấy khí đồng

hành của mỏ Bạch Hổ bằng  - Al2O3 cùng với sự giúp đỡ hƣớng dẫn tận tình

của PGS. TS. Nguyễn Thị Minh Hiền em đã thu đƣợc kết quả sau:

- Lựa chọn đƣợc sơ đồ công nghệ sấy khí bằng phƣơng pháp hấp phụ

với chu trình tái sinh hở, năng suất là 5.106 m3 khí/ngày đêm

- Lựa chọn đƣợc chất hấp phụ là  - Al2O3.

- Xác định đƣợc đƣờng kính tháp hấp phụ là D = 2,6 (m) và chiều cao

tháp là Ht = 7,2 (m).

- Xác định đƣợc khối lƣợng nƣớc tách từ khí trong chu kỳ hấp phụ là

= 90 (kg/ chu kỳ).

- Xác định đƣợc vận tốc tuyến tính của khí trong tiết diện tự do của

tháp hấp phụ ở điều kiện làm việc là v1 = 10,93 (m/s).

- Xác định đƣợc tải trọng riêng của lớp nƣớc là q = 2,2 (kg/h.m2).

- Xác định đƣợc chiều cao lớp hấp phụ là 5,2 (m) và thời gian hoạt

động của lớp cho đến khi có ẩm xuyên qua là 1 = 8 (h).

- Xác định đƣợc tổn thất khi khí chuyển động qua lớp hạt chất hấp phụ.

- Xác định đƣợc chu kỳ taisinh là 8 (h) và thể tích khí tái sinh là

Vts=24,275 (m3).

- Xác định đƣợc nhiệt tiêu hao cho việc đun nóng  - Al2O3 là Q1 =

63000 (kJ/h), thiết bị là Q2 = 245145,6 (kJ/h), nƣớc đến nhiệt độ sôi là Q3 =

22620,6 (kJ/h), cho bay hơi nƣớc là Q4 = 203400 (kJ/h) và cho bay hơi các

hydrocacbon là Q5 = 4068 (kJ/h).

77

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

- Xác định đƣợc tổng nhiệt lƣợng cần cung cấp cho quá trình tái sinh

là Q =603588,51 (kJ/h) và lƣợng nhiệt mất mát ra môi trƣờng là Qm =

30179,43 (kJ/h).

- Xác định đƣợc lƣợng nhiệt riêng cần để nhả hấp phụ 1 đơn vị khối

lƣợng nƣớc hấp phụ là = 6706,539 (kJ/kgH2O).

- Xác định đƣợc khối lƣợng khí đem tái sinh là Gk = 1170,77 (kg).

Do thời gian nghiên cứu có hạn nên quá trình tính toán thiết kế công

nghệ sấy khí đồng hành của mỏ Bạch Hổ bằng  - Al2O3 cần phải tiếp tục

đƣợc hoàn thiện để công nghệ này có thể đạt đƣợc nhiệt độ điểm sƣơng thấp

hơn và độ giải ẩm cao hơn cũng nhƣ khí sau khi sấy đƣợc khô hơn nữa.

78

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. PGS. TS. Nguyễn Thị Minh Hiền. "Công nghệ chế biến khí tự nhiên

và khí đồng hành". Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội

2002.

2. PGS. TS. Đinh Thị Ngọ. "Hoá học dầu mỏ và khí". Nhà xuất bản

Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2001.

3. GS. TS. Nguyễn Bin; PGS. TS. Đỗ Văn Đài; PTS. Lê Nguyên Đƣơng;

PTS. Trần Xoa. "Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất"

Tập II. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 1999

4. MA. Berlin - VG. Gortrencốp - HP. Vol cốp. "Công nghệ chế biến

khí thiên nhiên và Khí dầu mỏ".

Ngƣời dịch: Hoàng Minh Nam; Nguyễn Văn Phƣớc; Nguyễn Đình

Soa; Phan Minh Tâm . Trƣờng đại học kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh.

5. TS. Nguyễn Hữu Trịnh. Luận án tiến sĩ hoá học. "Nghiên cứu điều

chế các dạng nhôm hydroxit, nhôm ôxit và ứng dụng trong công

nghiệp lọc hoá dầu". Đại học Bách Khoa Hà Nội 2002.

6. Campbell J.M. Gas Conditioning and Processing. Vol 2. The

Equipment. Campbell Petroleum Series. Normal, Oklahoma.

October 1994.

79

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN ......... 0

MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 4

PHẦN I: TỔNG QUAN ............................................................................. 6

CHƢƠNG I: CƠ SỞ HOÁ LÍ CỦA CÔNG NGHỆ SẤY KHÍ ............................... 7

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

ĐỒNG HÀNH. .................................................................................... 7

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

HÀNH. ................................................................................................ 8

I.2.1. PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA CÁC

HYDROCACBON. ..................................................................... 8

I.2.2. CÂN BẰNG PHA CỦA HỆ CÁC HYDROCACBON. ........... 8

I.3. TÍNH CHẤT CỦA HỆ HYDROCACBON VÀ NƢỚC. ............ 9

I.3.1. HÀM ẨM CỦA KHÍ. .............................................................. 9

I.3.2. ẢNH HƢỞNG CỦA NITƠ VÀ CÁC HYDROCACBON

NẶNG ĐẾN HÀM ẨM CỦA KHÍ. ........................................... 10

I.3.3. HÀM ẨM CÂN BẰNG CỦA HYDRAT. ............................. 10

I.3.4. SỰ TẠO THÀNH HYDRAT. ............................................... 14

I.3.4.1. CẤU TRÚC TINH THỂ HYDRAT. ............................... 14

I.3.4.2. CÂN BẰNG QUÁ TRÌNH TẠO HYDRAT. .................. 16

I.3.4.3. NHẬN XÉT. ................................................................... 16

I.4. QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ. ........................................................... 18

I.4.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HẤP PHỤ ................................... 18

I.4.2. CHẤT HẤP PHỤ. ................................................................. 18

I.4.2.1. ĐẶC CHƢNG CỦA CHẤT HẤP PHỤ. ......................... 18

I.4.2.2. ÔXIT NHÔM VÀ  - AL2O3 .......................................... 19

I.4.3. CÂN BẰNG PHA CỦA QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ. ............... 25

I.4.4. HOẠT ĐỘ HẤP PHỤ ........................................................... 25

80

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

I.4.5. CÁC THUYẾT HẤP PHỤ. ................................................... 26

I.4.5.1. THUYẾT HẤP PHỤ LANG MUIR. .............................. 26

I.4.5.2. THUYẾT HẤP PHỤ BET. ............................................. 27

I.4.6. ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ. ......................................... 33

I.4.6.1. NHIỆT HẤP PHỤ. ......................................................... 33

I.4.6.2. NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH TÁI SINH. ..................... 35

I.4.7. ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ. ........................ 36

I.4.7.1. CHUYỂN CHẤT TỪ PHA HƠI ĐẾN BỀ MẶT NGOÀI

VIÊN. ......................................................................................... 37

I.4.7.2. CHUYỂN CHẤT TRONG MAO QUẢN. ...................... 39

I.4.7.3. ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ. ................. 40

CHƢƠNG II: CÔNG NGHỆ .................................................................................. 42

II.1. CÁC PHƢƠNG PHÁP SẤY KHÔ KHÍ. ................................. 42

II.1.1. PHƢƠNG PHÁP HẤP THỤ. ............................................... 42

II.1.2. PHƢƠNG PHÁP HẤP PHỤ. ............................................... 43

II.1.3. LỰA CHỌN PHƢƠNG PHÁP. ........................................... 45

II.2. CÔNG NGHỆ SẤY KHÍ BẰNG PHƢƠNG PHÁP HẤP PHỤ

........................................................................................................... 46

II.2.1. CÔNG NGHỆ SẤY VỚI CHU TRÌNH TÁI SINH KÍN. ..... 46

II.2.2. CÔNG NGHỆ SẤY KHÍ VỚI CHU TRÌNH TÁI SINH HỞ.48

II.2.2.1. PHƢƠNG ÁN 1. ........................................................... 48

II.2.2.2. PHƢƠNG ÁN 2. ........................................................... 50

II.2.2.3. PHƢƠNG ÁN 3. ........................................................... 52

II.2.3. CHỌN CÔNG NGHỆ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ. ................. 53

II.2.3.1. LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ .......................................... 53

II.2.3.2. SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ. .................................................. 54

II.2.3.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG. ....................................... 56

PHẦN II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ............................... 58

II.1. CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ............................................ 59

81

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

II.2. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY KHÔ BẰNG PHƢƠNG

PHÁP HẤP PHỤ. ............................................................................. 59

II.3.TÍNH TOÁN QÚA TRÌNH TÁI SINH CHẤT HẤP PHỤ

TRONG QÚA TRÌNH SẤY. ............................................................. 72

KẾT LUẬN ............................................................................................... 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 79

82