Đang tải... (xem toàn văn)
cơ sở lý thuyết tính toán nhiệt động học của hydrocacbon
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM TRUNG TÂM CÔNG NGHỆ HÓA TIỂU LUẬN MÔN HỌC: CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN KHÍ ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ NHIỆT ĐỘNG CỦA HYDROCACBON NHÓM SV: GVHD: Võ Đức Anh Quảng Ngãi, tháng 9 năm 2009 Phan Thị Thúy Ái Đổ Thị Nguyên Em Phạm Tấn Hùng Trịnh Chí Linh Nguyễn Niên Nguyễn Các Quỳnh Võ Thanh Toàn Phạm Tấn Vinh Tiểu luận môn học CNCBK TRUNG TÂM CÔNG NGHÊ HÓA MỤC LỤC Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN………………………3 1.1. Hệ thống công nghệ dầu khí………………………………………… 3 1.2. Nhiệm vụ và mục đích nghiên cứu của đề tài……………………… 5 Chương 2 : CÁC THÔNG SỐ NHIỆT ĐỘNG CỦA HIDROCACBON …………………6 2.1. Nhiệt độ sôi và áp suất hơi bảo hoà……………………………… …6 2.2. Các đại lượng tới hạn………………………………………………… 7 2.3. Thông số Acentric ω………………………………….………. ……….19 2.4. Các tính chất của hydrocacbon ở trạng thái lỏng……………………20 TỔNG KẾT………………………………………………… 23 Nhóm SV: NCHD01 GVHD: Võ Đức Anh 2 Tiểu luận môn học CNCBK TRUNG TÂM CÔNG NGHÊ HÓA Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1. Hệ thống công nghệ dầu khí. Mô hình tổng quát hệ thống công nghệ khai thác, thu gom, xử lý khí . Phần lớn các hệ thống sử lý dầu khí đều có các thành phần chung như hình 1.1. Chúng được cấu tạo từ các module có chức năng và nhiệm vụ khác nhau. Hình 1.1: Hệ thống thu gom, xử lý dầu khí Module vỉa: − Bao gồm vỉa sản phẩm và các giếng khai thác. Module tách dầu khí: - Dòng sản phẩm từ vỉa đi lên bao gồm cả chất lỏng, khí, nước, các hạt rắn do đó phải có các bình tách để tách riêng dầu khí nước gọi là bình tách cấp 1. - Các cấp bình tách tiếp theo có nhiệm vụ ổn định thành phần dầu thô nhằm đạt yêu tàng trữ hay vận chuyển. Nhóm SV: NCHD01 GVHD: Võ Đức Anh 3 Tiểu luận môn học CNCBK TRUNG TÂM CÔNG NGHÊ HÓA Module sử lý nước thải: - Bao gồm các thiết bị sử lý phần nước khai thác cùng sản phẩm dầu khí từ vỉa và được tách qua các bình tách quá trình này nhằn thu hồi hydrocacbons, loại bỏ các tạp chất rắn, hay các chất rắn hoà tan như CaCO3, NaCl. Nhằm mục đích đạt yêu cầu về chất lượng thải ra môi trường hoặc tái sử dụng. Module sử lý khí và vận chuyển khí: (giàn nén khí trung tâm) Xem hình 1.2 Nhiệm vụ chính nhằm loại trừ các tạp chất (nước, tạp chất rắn, các chất độc hại H2S, CO2,N2, O2 ) trước khi đưa đến module chế biến khí. Để loại nước người ta có thể dùng các biện pháp như: hấp thụ thường dùng glycol, chất hấp phụ như silica gen, alumina hay molecular sieve (zeolite), ngưng tụ nhiệt độ thấp,… Module chế biến khí: Xem hình 1.2 Nhiệm vụ của phần này bao gồm tách hỗn hợp khí tự nhiên thành các thành phần riêng biệt (thông thường là các khí hóa lỏng) như Ethane (C2), Propane (C3) , Butane (C4), natural gasoline (C5+) Nhóm SV: NCHD01 GVHD: Võ Đức Anh 4 Tiểu luận môn học CNCBK TRUNG TÂM CÔNG NGHÊ HÓA Nhóm SV: NCHD01 GVHD: Võ Đức Anh 5 Tiểu luận môn học CNCBK TRUNG TÂM CÔNG NGHÊ HÓA 1.2.Nhiệm vụ và mục đích nghiên cứu của đề tài. Các tính chất nhiệt động là cơ sở dữ liệu quan trọng nhất cho việc tính toán quá trình phân tách toàn hệ thống Khi tính toán các thông số nhiệt động học của các quá trình chế biến khí, người ta thường sử dụng các thông số nhiệt động học sau: áp suất, nhiệt độ, độ chịu nén, thể tích riêng, trọng lượng riêng, entanpi, entropi, nhiệt đung, độ dẫn nhiệt, độ nhớt. Có nhiều phương pháp tính toán các tính chất nhiệt động, trong đó, quan trọng nhất là 2 phương pháp : Phương pháp tương quan : API và Rackett Phương pháp phương trình trạng thái : phương trình bậc ba tổng quát, công thức alpha, các qui luật hổn hợp, phương trình SRK, phương trìnhPR, phương trình SRKP, SRKM, SRKS, … Phương pháp API và Rackett tính toán khá chính xác tỉ trọng của pha lỏng, còn các tính chất nhiệt động khác như : enthalpie, entropie lỏng và hơi, … thì được tính toán rất chính xác bằng các phương trình trạng thái như : SRK, SRKM, … Trong đề tài này chúng ta sẽ xem xét tính chất nhiệt động của các Hidrocacbon riêng biệt và hổn hợp của chúng, và trình bày một số phương pháp xác định các tính chất đó. Áp suất, thể tích, nhiệt độ và hệ số chịu nén, thường nằm trong phương trình trạng thái. Nhiều tính chất của các Hidrocacbon được xác định trên cơ sở lý thuyết trạng thái tương hợp, vì vậy cần phải biết các thông số tới hạn của các cấu tử và hổn hợp của chúng. Nhóm SV: NCHD01 GVHD: Võ Đức Anh 6 Tiểu luận môn học CNCBK TRUNG TÂM CÔNG NGHÊ HÓA Chương 2 CÁC THÔNG SỐ NHIỆT ĐỘNG CỦA HIDROCACBON 2.1 Nhiệt độ sôi và áp suất hơi bảo hoà Nhiệt độ sôi của hydrocacbon từ C1 đến C10 đã được xác định bằng thực nghiệm, số liệu đã ra trong bảng 2.1. Nhiệt độ sôi của các hydrocacbon parafin tinh khiết từ C1 đến C20 ở điều kiện tiêu chuẩn có thể tính chính xác đến ± 1 K theo phương trình: Ts ( K )= (193,3-0,05n) . (n-1)0.91 - 121n + 232,7 (2.1) trong đó n là số nguyên tử Áp suất hơi bảo hòa của Hidrocacbon tinh khiết có thể xác định theo phương trình sau khi biết Ts , Tc , Pc : lgP h = [β − 0,01500 + 1,397.(T h −δ) 2 + 0,581(T h −δ)]. ( h T 1 1− ) (2.2) trong đó: P h = P bh /P C δ = − 0,1018 + 0,3806. δ − 0,02861. δ 2 β = T h .lg(0,96784 . P C ).(1 − T h ) T h = T S /T C Áp suất hơi bảo hoà của các cấu tử riêng biệt có thể xác định bằng phương pháp đơn giản hơn, đó là phương pháp giản đồ, trong đó người ta sử dụng giản đồ phụ thuộc áp suất hơi bảo hoà vào nhiệt độ (hình 2.1 và hình 2.2). Nhóm SV: NCHD01 GVHD: Võ Đức Anh 7 Tiểu luận môn học CNCBK TRUNG TÂM CÔNG NGHÊ HÓA 2.2 Các đại lượng tới hạn Các đại lượng tới hạn: Tc , Pc , Vc của các hydrocacbon riêng biệt nhận được bằng thực nghiệm xem ở bảng 2.2. Với các hydrocacbon từ C1 đến C15 có thể xác định nhiệt độ tới hạn (chính xác tới ± 1 K) theo phương trình: 7,190 )1(645,2 )1(7,391 785,0 + −+ − = n n T C (2.3) trong đó n là số nguyên tử cacbon của cấu tử. Áp suất tới hạn của hydrocacbon từ C 1 đến C 20 (trừ C 18 ) có thể xác định chính xác tới ± 0,05 MPa theo phương trình: 2,1 977,7 51,49 n P C + = (2.4) trong đó n l1 số nguyên tử cacbon của cấu tử. Để xác định thể tích tới hạn của các hydrocacbon từ C 3 đến C 16 (chính xác đến 4 cm3/mol) có thể áp dụng phương trình: Vc = 58,0 n + 22 (3.5) Khi không thể tìm được các đại lượng tới hạn của hỗn hợp trong các bảng số liệu, chúng ta có thể tính toán bằng nhiều cách khi đã biết các đại lượng thực của các cấu tử. Cũng tương tự như vậy, các thông số a, b, c, trong các phương trình trạng thái cũng được xác định bằng cách đặc biệt đối với hỗn hợp. Các đẳng thức có mặt các thông số của hỗn hợp được gọi l1 các định luật kết hợp hoặc định luật hỗn hợp. Khi tính toán không quan tâm đến dạng chính xác của nó m1 dựa trên cơ sở giả thiết rằng các tính chất của hỗn hợp là trung bình cộng tính chất của các cấu tử riêng biệt tạo th1nh hỗn hợp. Định luật được áp dụng với các phương trình trạng thái Van der Walls, Redlich - Kwong, Peng - Robinson để xác định thông số a và b như sau: ii j jiji i m kaaxxa −= ∑∑ 1)( 2/1 ii i m bxb ∑ = trong đó: a m , b m là thông số a, b của hỗn hợp; a i , a j là thông số a, b của cấu tử i và j; x i , x j laf phần mol của cấu tử i và j trong hỗn hợp; k ij là thông số tương tác bậc hai. Như vậy các thông số a m và b m của hỗn hợp được xác định trên cơ sở các thông số a và b của các cấu tử tinh khiết. Với các phương trình trạng thái nói trên, định luật hỗn hợp là tổng của các cặp bậc 2. Ví dụ hỗn hợp bốn cấu tử sẽ gồm có 6 cặp bậc 2 Thông số tương tác bậc hai k ij không phải là thông số lý thuyết mà là thông số thực nghiệm được sử dụng để hiệu chỉnh trong các phương trình trạng thái. Nhóm SV: NCHD01 GVHD: Võ Đức Anh 8 Tiểu luận môn học CNCBK TRUNG TÂM CÔNG NGHÊ HÓA Các giá trị tới hạn tìm được từ các định luật hỗn hợp không phải là các giá trị thực, mà là các giá trị giả tới hạn, thường được ký hiệu là T c ’ và P c ’. Như vậy giá trị giả tới hạn không phải là một điểm trên đường cong cân bằng pha, nó chỉ là thông số tương quan sử dụng khái niệm trạng thái tương hợp. Trạng thái tương hợp là trạng thái có cùng các thông số rút gọn Hình III.3. áp suất hơi v áp suất rút gọn của metan v propan Các thông số giả tới hạn có thể được xác định theo định luật Kay: ∑ = i iciC cPP .' và iCiC cTT ∑ = .' trong đó ci là phần mol của cấu tử trong hỗn hợp; P ci và T ci là các giá trị tới hạn của cấu tử. Các giá trị tới hạn của các hydrocacbon xem ở bảng 2.2. Chia giá trị áp suất và nhiệt độ thực cho các giá trị giả tới hạn, ta có giá trị các đại lượng giả rút gọn của hỗn hợp: c r T T T ' ' = ; c r P P P ' = (2.6) Định luật Kay cũng có thể áp dụng để tính khối lượng phân tử hiệu dụng của hỗn hợp. Ví dụ 2.1 Tính hệ số chịu nén z của khí có th1nh phần và các thông số tới hạn cho trong bảng 2.2 ở áp suất P = 13,94 MPa (2021 psi) và T = 331 K (595 0 R). Áp dụng định luật Kay xác định được các đại lượng giả tới hạn của hỗn hợp khí. Kết quả tính theo hệ đơn vị quốc tế và đơn vị Anh đã ra ở bảng 2.2. Nhóm SV: NCHD01 GVHD: Võ Đức Anh 9 Tiểu luận môn học CNCBK TRUNG TÂM CÔNG NGHÊ HÓA Tính toán các đại lượng giả rút gọn của hỗn hợp theo các hệ đơn vị quốc tế (hệ mét) v1 hệ đơn vị Anh: Hệ mét: 67,2 23,5 94,13 ' == r P 52.1 218 331 ' == r T Hệ Anh: 76,2 758 2021 ' == r P 52,1 392 595 ' == r T Từ giản đồ hệ số chịu nén Katz (hình 2.5) có z = 0,8. Nhóm SV: NCHD01 GVHD: Võ Đức Anh 10 [...]... thông số tới hạn và giả tới hạncủa hỗn hợp theo các giản đồ khi biết giá trị nhiệt độ sôi trung bình của hỗn hợp: − Từ nhiệt độ sôi trung bình mol xác định nhiệt độ giả tới hạn − Từ nhiệt độ sôi trung bình khối lượng xác định nhiệt độ tới hạn của hỗn hợp Các bước tính toán như sau: 1) Xác định nhiệt độ sôi trung bình mol, với xi phần mol cấu tử i trong hỗn hợp: 2) Tính nhiệt độ sôi trung bình khối lượng,... hổn hợp hydrocacbon ở trạng thái lỏng Nhóm SV: NCHD01 GVHD: Võ Đức Anh Tiểu luận môn học CNCBK HÓA 24 TRUNG TÂM CÔNG NGHÊ TỔNG KẾT Trong khuôn khổ đề tài này nhóm chúng tôi đã tập trung vào nghiên cứu và tìm hiểu các tính chất nhiệt động của Hidrocacbon và những vấn đề cơ bản về cách tính toán các tính chất nhiệt động của Hidrocacbon nói riêng để từ đó dể dàng đi sâu vào nghiên cứu các lỉnh vực cao hơn... Tiểu luận môn học CNCBK HÓA 14 TRUNG TÂM CÔNG NGHÊ Ví dụ III.3 Đôi khi cần phải tính toán tỷ trọng của hỗn hợp khí khi có sẵn rất ít thông tin Người ta sử dụng giản đồ trên hình 2.7 biểu diễn các tính chất giả tới hạn của khí tự nhiên để tính toán gần đúng Với số liệu tương tự như ví dụ 2.1, nhưng khối lượng phân tử của hỗn hợp MW = 18,90 (các thông số khác không biết) Tỷ trọng tương đối của hỗn hợp... thực tế thường tính toán theo các giản đồ phụ thuộc của zvào các đại lượng rút gọn đã nêu trên Tỷ trọng của các hydrocacbon từ C1 đến C10 ở áp suất khí quyển được đưa ra trên các giản đồ tương ứng trong khoảng nhiệt độ thấp (hình 2.8) và trong khoảng nhiệt độ cao (hình 2.9) Giá trị toạ độ tương ứng với các hydrocacbon trên hình2 III.9 được cho trong bảng 2.4 Tỷ trọng của khí nén được tính theo phương... hydrocacbon ở trạng thái lỏng Đặc tính cơ bản của trạng thái lỏng khi so sánh với trạng thái khí là không chịu nén Tuy nhiên tính toán các tính chất của hỗn hợp lỏng bao gồm hai yếu Nhóm SV: NCHD01 GVHD: Võ Đức Anh Tiểu luận môn học CNCBK HÓA 22 TRUNG TÂM CÔNG NGHÊ tố: tồn tại các cấu tử nhẹ có áp suất hơi cao là metan và etan, và có sự giảm thể tích khi hoà tan hai hydrocacbon lỏng Cả hai yếu tố trên... khối lượng, với xi’ phần khối lượng cấu tử i trong hỗn hợp: 3) Xác định tỷ trọng trung bình của hỗn hợp hydrocacbon: • với n-alcan: • với n-alken: trong đó n là số nguyên tử cacbon trong phân tử hydrocacbon 2.3 Thông số acentric ω Để xác định tính chất của các chất có sử dụng thông số hiệu chỉnh trên cơ sở lý thuyết trạng thái tương hợp, người ta đã đưa ra thông số acentric ω hiệu chỉnh sự sai lệch... Dầu của cơ sở Miền Trung đồng thời cũng là giảng viên bộ môn đã tạo điều kiện và hướng dẫn chúng tôi hoàn thành đề tài này Nhóm SV: NCHD01 GVHD: Võ Đức Anh Tiểu luận môn học CNCBK HÓA 25 TRUNG TÂM CÔNG NGHÊ Tài liệu tham khảo 1 2 3 4 Trần Mạnh Trí - Hoá Học dầu mỏ và khí, trường ĐHBK Hà Nội 1979 Tính toán công nghệ các quá trình chế biến dầu mỏ Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội PGS.TS Đinh Thị Ngọ Hoá học. .. mol của cấu tử i , m3/kg.mol; vm là thể tích âm của hỗn hợp, tức là đại lượng cho biết tổng thể Nhóm SV: NCHD01 GVHD: Võ Đức Anh Tiểu luận môn học CNCBK HÓA 17 TRUNG TÂM CÔNG NGHÊ tích của các cấu tử riêng biệt lớn hơn thể tích hỗn hợp của chúng, m3/kg.mol Hình III.8 Giản đồ xác định tỷ trọng hydrocacbon lỏng ở áp suất khí quyển trong vùng nhiệt độ thấp Nhóm SV: NCHD01 GVHD: Võ Đức Anh Tiểu luận môn học. .. phân tử nhỏ như metan rất linh động, còn các phân tử có khối lượng phân tử lớn kém linh động hơn Các tính chất phụ thuộc vào kích thước hình dạng và năng lượng của phân tử Tỷ trọng là một trong những yếu tố quan trọng, nó không chỉ cần thiết cho các tính toán chủ yếu m1 còn có liên quan đến các thông số khác như độ nhớt, điểm sôi, chỉ số khúc xạ Để xác định tỷ trọng của hydrocacbon ở trạng thái lỏng... CÔNG NGHÊ Bảng III.4 Giá trị toạ độ và khoảng nhiệt độ để tính tỷ trọng của các hydrocacbon lỏng ở áp suất khí quyển Nhóm SV: NCHD01 GVHD: Võ Đức Anh Tiểu luận môn học CNCBK HÓA 19 TRUNG TÂM CÔNG NGHÊ Hình 2.9 Giản đồ xác định tỷ trọng hydrocacbon lỏng ở áp suất khí quyển trong vùng nhiệt độ trung bình và cao Nhóm SV: NCHD01 GVHD: Võ Đức Anh Tiểu luận môn học CNCBK HÓA 20 TRUNG TÂM CÔNG NGHÊ Ngoài ra . chất rắn, các chất độc hại H2S, CO2 ,N2, O2 ) trước khi đưa đến module chế biến khí. Để loại nước người ta có thể dùng các biện pháp như: hấp thụ thường dùng glycol, chất hấp phụ như silica gen,. hơi bảo hoà Nhiệt độ sôi của hydrocacbon từ C1 đến C10 đã được xác định bằng thực nghiệm, số liệu đã ra trong bảng 2.1. Nhiệt độ sôi của các hydrocacbon parafin tinh khiết từ C1 đến C20 ở điều. H 2 S, CO 2 và N 2 . Bảng 2.3 dưới đâyđưa ra các số liệu so sánh kết quả tính hệ số z với hỗn hợp khí có thành phần như trong các ví dụ trên khi có thêm các hệ số hiệu chỉnh. Bảng 2.3. So sánh