Trờng 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 Giáo viên hớng dẫn : PGS. TS. Nguyễn thị minh hiền Sinh viên thực hiện : Nguyễn Anh tuấn Lớp : 02V - 01 - HOá dầu Hà Nội - 2005 Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt trong đồ án U m : Vận tốc khối lợng khí C : Hằng số. D h : Đờng kính trung bình hạt chất hấp phụ. h : Khối lợng riêng trung bình của = Al 2 O 3. K : Khối lợng riêng của khí ở điều kiện làm việc. g : Gia tốc rơi tự do. P r : áp suất rút gọn. T r : Nhiệt độ rút gọn. Z : Hệ số chịu nén. 2 H O G : Khối lợng nớc tách từ khí trong chu kỳ hấp phụ. n : Số chu kỳ. 1 , 2 : Lợng ẩm trớc và sau khí sấy. : Năng suất khí cần sấy. D : Đờng kính tháp hấp phụ. v P : Vận tốc tuyến tính. D P : Đờng kính trung bình của hạt - Al 2 O 3 . g : Khối lợng riêng của khí. : Thời gian của chu kỳ. q : Tải trọng riêng. l vh : Chiều dài vùng hấp phụ. a d : Dung lợng ẩm cân bằng động. l 1 : Chiều cao cần thiết của lớp hấp phụ động. P : Tổn thất khi khí chuyển động qua lớp hạt chất hấp phụ. f : Hệ số ma sát. Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm 2 Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn d p : Đờng kính tơng đơng của hạt. : Độ rỗng của hạt. : Độ ẩm bão hoa của khí. R e : Chuẩn số Reynolds . à : Độ nhớt của cấu tử. G 1 : Khối lợng chất hấp phụ. T 4 : Nhiệt độ tái sinh. T 1 : Nhiệt độ quá trình hấp phụ. Q 1 : Nhiệt cần thiết để đun - Al 2 O 3. G 2 : Khối lợng thiết bị và phụ tùng trực tiếp nối với các ống thiết bị. C 2 : Nhiệt dung riêng của vật liệu kết cấu chế tạo thiết bị. H t : Chiều cao của tháp. Q 2 : Nhiệt cần thiết để đun nóng thiết bị. t : Khối lợng riêng của thép. Q 3 : Nhiệt cần để đung nóng nớc đến nhiệt độ sôi. T 2 : Nhiệt độ sôi của nớc. C 1 : Nhiệt dung riêng của nớc. 2 H O q : Nhiệt bay hơi nớc. Q 4 : Nhiệt cần để bay hơi nớc Q 5 : Nhiệt cần để bay hơi các hydrocacbon đợc hấp phụ trong quá trình hấp phụ. Q : Tổng nhiệt lợng cần cung cấp cho quá trình tái sinh. Q m : Lợng nhiệt mất mát ra môi trờng. r 2 (Q )H O : Lợng nhiệt riêng cần để giải hấp một đơn vị khối lợng nớc hấp phụ. G K : Khối lợng khí đem tái sinh. C k : Nhiệt dung riêng trung bình của hỗn hợp khí. V ts : Thể tích khí tái sinh. - Al 2 O 3 : Gama oxit nhôm Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm 3 §å ¸n tèt nghiÖp SV: NguyÔn Anh TuÊn BET : ThuyÕt hÊp phô Brunaner - Emmelt - Teller. DEG : Dietylen Glycol MEA : Mono Etanol Amin TEG : Tri Etylen Glycol LNG : Lique fied Nature Gases LPG : Lique fied Petroleum Gases. TÝnh to¸n thiÕt kÕ c«ng nghÖ sÊy khÝ b»ng oxit nh«m 4 Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn 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 nh dùng để sản xuất nhiên liệu phục vụ cho nhu cầu dân dụng, công nghiệp, giao thông vận tải (nh LNG, LPG) Khí tự nhiên và khí đồng hành khai thác từ lòng đất thờng bão hoà hơi nớc và hàm lợng hơi nớc 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 nh bụi, hơi nớc, khí trơ, CO 2 , H 2 S và các hợp chất hữu cơ chứa S nên trớc khi đa vào chế biến khí cần phải qua công đoạn chuẩn bị mà trong đó qúa trình tách hơi nớc là rất quan trọng. Do hơi nớc trong khí tự nhiên và khí đồng hành có thể bị ngng 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 thờng đối với các dây chuyền khai thác, vận chuyển và chế biến khí. Ngoài ra sự có mặt của hơi nớc và các hợp chất chứa lu 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 nớc 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 phơng pháp đợc dùng để hạ nhiệt độ điểm sơng và sấy khô khí tự nhiên cũng nh khí đồng hành. Với đề tài Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm em lựa chọn phơng pháp sấy hấp phụ với chất hấp phụ là - Al 2 O 3 vì -Al 2 O 3 có cấu trúc xốp, bề mặt riêng lớn, có các tâm axit, dễ tạo viên, độ bền cơ, bền nhiệt, chịu đợc nớc. Với yêu cầu là sấy khí đồng hành của mỏ Bạch Hổ thì phơng pháp này có thể đạt đợc điểm sơng thấp, điểm sơng của khí sau khi sấy bằng - Al 2 O 3 có thể đạt tới -73 0 C (hay -100 0 F) 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 đợc chia làm hai phần: Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm 5 Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn 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 lợng 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 Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hớng dẫn, giúp đỡ để đồ án này của em có thể hoàn thành đúng thời hạn. Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm 6 §å ¸n tèt nghiÖp SV: NguyÔn Anh TuÊn PhÇn I Tæng quan TÝnh to¸n thiÕt kÕ c«ng nghÖ sÊy khÝ b»ng oxit nh«m 7 Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn Chơng 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 đợc khai thác từ các mỏ khí riêng biệt, trong khí này thành phần chủ yếu là khí metan (CH 4 ) có thể chiếm 85 ữ 99%. Còn lại là các khí khác nh etan ( C 2 H 6 ), propan (C 3 H 8 ) và rất ít butan (C 4 H 10 ), cá biệt có thể có mỏ chứa CO 2 tới 60% Khí đồng hành là khí nằm lẫn trong dầu mỏ, đợc hình thành cùng với dầu, ta nhận đợc khi khai thác và chế biến dầu mỏ. Thành phần chủ yếu của khí đồng hành là khí metan có thể chiếm từ 73 ữ 77%, còn lại là các khí nặng nh 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 nh CO 2 , N 2 , H 2 S, H 2 , He Số lợng và hàm lợng các cấu tử thay đổi trong những khoảng rộng. Bảng I.1. Thành phần hoá học trung bình của khí tự nhiên và khí đồng hành ở Việt Nam (% theo thể tích). Các cấu tử Khí đồng hành Khí tự nhiên Bạch Hổ Đại Hùng Rồng Lan Tây Tiền Hải CH 4 76,82 77,45 76,54 88,5 87,6 C 2 H 6 11,87 9,49 6,89 4,3 3,1 C 3 H 8 5,98 3,38 8,25 2,4 1,2 C 4 H 10 1,04 1,34 0,78 0,6 1,0 C 5 H 12 0,32 0,48 0,50 1,4 0,8 N 2 0,50 4,05 - 0,3 3,3 CO 2 1,00 - - 1,9 3,0 H 2 S - - - 10,0 - I.2. Các tính chất của khí tự nhiên và khí đồng hành. I.2.1. Phơng 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. Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm 8 Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn Để xác định tính chất nhiệt động của các chất và hỗn hợp của chúng cũng nh entanpi, entropi, tỷ trọng, fugat; ngời ta sử dụng phơng 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 tởng, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp và áp suất cao. Vì vậy không thể sử dụng phơng trình trạng thái khí lý tởng để xác định các tính chất của chúng mà ta phải dùng các phơng pháp trạng thái mô tả hệ khí thực nh: - Phơng trình Vander Waals - Phơng trình Benedict - Webb - Rubin (BWR). - Phơng trình Redlich - Kwong (RK). - Phơng trình Peng - Robinson (PR). I.2.2. Cân bằng pha của hệ các hydrocacbon. Hằng số cần bằng K là đại lợng đặc trng cho sự phân bố của các cấu tử giữa các pha ở điều kiện cân bằng và nó đợc xác định bằng phơng trình. K i = y i /x i (I.1) Trong đó: y i - phần mol của cấu tử i trong pha hơi; x i - phần mol của cấu tử i trong pha lỏng. Với hệ khí lý tởng, K đợc xác định theo phơng trình sau: K i = P i /P (I.2) Trong đó: P i - 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 đợc xác định bằng phơng pháp giải tích và phơng 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. Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm 9 Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn I.3. Tính chất của hệ hydrocacbon và nớc. I.3.1. Hàm ẩm của khí. Khí tự nhiên và khí đồng hành khai thác từ các mỏ dới lòng đất luôn bão hoà hơi nớc. Hàm lợng hơi nớc 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 đợc hàm lợng ẩm tối đa của khí. Hàm lợng ẩm cân bằng hay còn gọi là độ ẩm cân bằng. Khi biểu diễn hàm lợng hơi nớc có trong khí, ngời ta sử dụng hai khái niệm: độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tơng đối. Độ ẩm tuyệt đối là lợng hơi nớc có trong một đơn vị thể tích hoặc một đơn vị khối lợng khí (đợc biểu diễn bằng g/m 3 khí hoặc g/kg khí). Độ ẩm tơng đối là tỷ số giữa khối lợng hơi nớc có trong khí và khối lợng hơi nớc tối đa có thể có trong khí ở điều kiện bão hoà (đợc biểu diễn theo phần trăm hoặc phần đơn vị). Nếu giảm nhiệt độ khí bão hoà hơi nớc còn áp suất không đổi thì một phần hơi nớc bị ngng tụ. Nhiệt độ tại đó hơi nớc có trong khí bắt đầu ngng tụ đợc gọi là điểm sơng của khí ẩm tại áp suất đã cho. Hàm ẩm của khí phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và thành phần hỗn hợp khí. Hiện nay có rất nhiều phơng pháp xác định hàm ẩm của khí, mà phổ biến hơn cả là các phơng pháp sau đây: - Sử dụng quan hệ giữa áp suất riêng phần và thành phần lỏng hơi. - Sử dụng các đờng cong thực nghiệm phụ thuộc của hàm ẩm vào nhiệt độ và áp suất. - Hiệu chỉnh các đờng cong trên khi có mặt của CO 2 , H 2 S, N 2 . - Sử dụng phơng trình trạng thái P - V - T. I.3.2. ảnh hởng của nitơ và các hydrocacbon nặng đến hàm ẩm của khí. Nh ta biết, nitơ giữ nớc kém hơn metan. ở áp suất 7,0 MPa, hàm ẩm của nitơ nhỏ hơn hàm ẩm của metan 6 ữ 9%. Chênh lệch này sẽ tăng khi áp suất tăng. Ngợc 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 Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm 10 [...]... hydrat của khí, pha "ngng tụ" không phải là pha lỏng mà là pha rắn đợc gọi là hydrat Trạng thái chuyển tiếp từ lỏng thành hydrat gọi là trạng thái lỏng cha ổn định "metastable" Đờng hàm ẩm cân bằng của khí - hydrat sẽ nằm phía dới đờng cân bằng khí - metastable (hình H.3) Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm 11 Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng. .. kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm 12 Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn Hình H.2: Hàm lợng ẩm của khí tự nhiên khô ngọt Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm 13 Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn Trên hình (H.3) biểu diễn hàm ẩm của hỗn hợp khí chứa 94,69%CH 4 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... hấp phụ hơi nớc trong khí tự nhiên và khí đồng hành tốt hơn các oxit nhôm dạng - Al2O3 và - Al2O3 Khi dùng - Al2O3 điểm sơng 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 Hình H7: Cấu trúc khối của - Al2O3 Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm 22 Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn I.4.3 Cân bằng pha của quá trình... của hỗn hợp khí hoặc dùng các phơng pháp hấp thụ và hấp phụ để sấy khô khí Hình H.5: Điều kiện tạo hydrat của các cấu tử trong khí tự nhiên Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm 17 Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn 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... Vùng trung gian ở giữa thì phơng trình (I.5) vẫn đợc sử dụng để tính toán Tuy nhiên phơng trình (I.5) không áp dụng đợc đối với trờng hợp hấp phụ đa phân tử I.4.5.2 Thuyết hấp phụ BET Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm 24 Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn Thuyết này đợc 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... và T2 tính theo 0K I.4.6.2 Nhiệt trong quá trình tái sinh Ta xét với quá trình hấp phụ nớc (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 Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm 31 Đồ án tốt nghiệp 200 SV: Nguyễn Anh Tuấn 1 TH T4 TC 0 Nhiệt độ khí tái sinh, C 2 100 TB T2 T3 TD TC TA 0 A B 3 C D T bắt đầu 0 1 Kết thúc... đi ra khỏi lớp chất hấp phụ đợc thay đổi từ T1 đến T2 Nhiệt độ tính toán trung bình trong khoảng này bằng T1 +T2 và đợc biểu diễn bằng đợc gạch nối trên hình vẽ Trong khoảng này 2 Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm 32 Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn 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... chất hấp phụ để hạ nhiệt độ điểm sơng và làm giảm hàm lợng 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 đợc nớc (Bảng I.3) Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm 20 Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn Bảng I.3 Tính chất vật lí của oxit nhôm hoạt tính Chất hấp phụ và Hình Kích thớc hạt; Độ xốp bên Độ xốp Khối lợng Đờng... chất bị hấp phụ có trong pha khí (hơi) cho đến khi đạt tới cân bằng Hoạt độ động đợc đặc trng bởi lợng tối đa chất lợng chất bị hấp phụ do một đơn vị thể tích hay một đơn vị khối lợng chất hấp phụ hút đợc 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 Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm 23 Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn... mức độ khuấy trộn Do hàm ẩm của khí phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hỗn hợp khí, các số liệu đa ra trên hình (H.3) chỉ là minh hoạ nên không thể ngoại suy cho các hỗn hợp khí có thành phần khác Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm 14 Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn I.3.4 Sự tạo thành hydrat I.3.4.1 Cấu trúc tinh thể hydrat Nớc có trong hỗn hợp khí luôn luôn tạo thành hydrat với . 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 lợng và tính. lỏng. Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm 9 Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Anh Tuấn I.3. Tính chất của hệ hydrocacbon và nớc. I.3.1. Hàm ẩm của khí. Khí tự nhiên và khí đồng hành. Trờng 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 Giáo viên hớng dẫn : PGS. TS. Nguyễn