http://www.ebook.edu.vn 77 Chơng IV Tính chất của hệ hydrocacbon v nớc IV.1. Hm ẩm của khí Khí tự nhiên và khí đồng hành khai thác từ các mỏ dới lòng đất luôn bo 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 ẩm tơng ứng với trạng thái khí bo hoà hơi nớc đợc gọi là hàm ẩm cân bằng hay còn gọi là độ ẩm cân bằng. Để 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 bo hoà (biểu diễn theo phần trăm hoặc phần đơn vị). Nếu giảm nhiệt độ khí bo 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 đ cho. Hàm ẩm của khí phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ của hệ và thành phần hỗn hợp khí. Có nhiều phơng pháp xác định hàm ẩm của khí, trong đó các phơng pháp sau phổ biến: 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 H 2 S, CO 2 , N 2 . Sử dụng phơng trình trạng thái PVT. IV.2. Các phơng pháp xác định hm ẩm của khí IV.2.1. Sử dụng quan hệ giữa áp suất riêng phần và thành phần lỏng hơi Trong trờng hợp áp suất của hệ thấp, tới 400 kPa, hỗn hợp khí có thể coi là khí lý tởng, khi đó có thể áp dụng định luật Raoult đối với nớc: http://www.ebook.edu.vn 78 P.y w = P h . x w (IV.1) trong đó: P là áp suất tuyệt đối của hệ; y w là phần mol nớc trong pha hơi; P h là áp suất hơi của nớc tại nhiệt độ của hệ; x w là phần mol nớc trong pha lỏng (x = 1). Phần mol nớc trong pha lỏng x w có thể lấy bằng 1, bởi vì pha lỏng không pha trộn. Nh vậy, khi biết áp suất của hệ và áp suất hơi riêng phần của hơi nớc thì có thể tính đợc phần mol của nớc trong pha hơi theo đẳng thức (IV.1). IV.2.2. Sử dụng các đờng cong thực nghiệm Từ đầu những năm 1950, khí tự nhiên sau khi loại các cấu tử nặng và các tạp chất trở thành khí khô ngọt đợc hoá lỏng thành LNG. Đối với khí tự nhiên khô ngọt này, logarit của hàm ẩm (logW) phụ thuộc vào P và T. Trên hình IV.1 mô tả sự phụ thuộc của logW vào nhiệt độ điểm sơng tại áp suất đ cho. Nồng độ tính bằng khối lợng trên một đơn vị thể tích tiêu chuẩn đợc tính chuyển sang phần mol y theo công thức sau: kg nớc/10 6 m 3 = y w 18 ì 41.740 = 751.320 y w trong đó: 18 là khối lợng phân tử nớc; 41.740 là kmol khí / 10 6 m 3 (ở 15 0 C và 100 kPa). Xác định hàm lợng nớc trong khí có ý nghĩa rất quan trọng trong tính toán quá trình sấy khí, tính toán lợng nớc ngng tụ trong đờng ống dẫn khí v.v . Giả dụ tại một điểm trên đờng cong ở hình IV.1, xác định đợc hàm lợng nớc là 200 kg/10 6 m 3 . Cũng trên đờng cong đó dịch xuống phía dới xác định đợc một điểm ứng với hàm lợng nớc là 100 kg/10 6 m 3 , có nghĩa là lợng nớc d đó nếu không đợc lấy ra thì sẽ có 100 kg nớc ngng tụ trên đờng ống dẫn 10 6 m 3 khí. Lợng nớc này có thể ở dạng hydrat, ngăn cản quá trình vận chuyển khí trên đờng ống, hoặc gây ăn mòn đờng ống và thiết bị. Quá trình dehydrat hay còn gọi là quá trình sấy khí sẽ làm hạn chế sự ngng tụ hơi nớc có trong khí. Hình IV.1 đợc sử dụng để xác định hàm ẩm cho khí tự nhiên khô ngọt, với sai số 6 . 10%. Tuy nhiên sự có mặt CO 2 và H 2 S trong khí với hàm lợng đáng kể sẽ làm cho kết quả nhận đợc có sai số lớn hơn. Vì vậy, ứng dụng thực tế chấp nhận đợc khi nồng độ CO 2 và H 2 S nhỏ và áp suất thấp. http://www.ebook.edu.vn 79 H×nh IV.1a. Hµm l−îng Èm cña khÝ tù nhiªn kh« ngät §iÓm s−¬ng, 0 C Hµm Èm cña khÝ tù nhiªn ngät, kg/10 6 m 3 (100 kPa vµ 15 0 C) http://www.ebook.edu.vn 80 H×nh IV.1b. Hµm l−îng Èm cña khÝ tù nhiªn kh« ngät §iÓm s−¬ng, 0 F Hµm Èm cña khÝ tù nhiªn ngät, lb/MMscf (14,7 psi vµ 59 0 F) http://www.ebook.edu.vn 81 IV.2.3. Hàm ẩm của khí chua Có một vài phơng pháp xác định hàm ẩm của khí có chứa H 2 S và CO 2 . Trong số đó có hai phơng pháp hiệu chỉnh với hỗn hợp khí có hàm lợng CO 2 và H 2 S cao, kết quả nhận đợc có độ chính xác tơng đối cao phù hợp với thực tế, đợc sử dụng phổ biến. a. Phơng pháp thứ nhất coi hỗn hợp khí bo hoà hơi nớc, hàm ẩm của hỗn hợp khí là tổng của hàm ẩm của khí ngọt, hàm ẩm của CO 2 và hàm ẩm của H 2 S. Hàm ẩm của khí chua đợc tính theo biểu thức sau: W = y.W hc + y 1 .W 1 + y 2 .W 2 (IV.2) trong đó: W là hàm ẩm của hỗn hợp khí chua; W hc là hàm ẩm của khí ngọt xác định từ đồ thị IV.1a, b; W 1 là hàm ẩm của CO 2 xác định từ đồ thị IV.2; W 2 là hàm ẩm của H 2 S xác định từ đồ thị IV.3; y = 1 y 1 y 2 . y 1 là phần mol CO 2 ; y 2 là phần mol H 2 S. b. Phơng pháp thứ hai coi hỗn hợp khí là hỗn hợp của metan, CO 2 và H 2 S. Hàm ẩm cũng đợc tính theo biểu thức (IV.2), trong đó hàm ẩm của CO 2 và H 2 S đợc xác định từ đồ thị IV.4 và IV.5. Biểu thức (IV.2) áp dụng ở áp suất cao và hàm lợng H 2 S trên 20%. IV.2.4. Sử dụng phơng trình trạng thái xác định hàm ẩm của khí chua a. Phơng pháp sử dụng phơng trình trạng thái SRK Đồ thị trên hình IV.6 đợc xây dựng trên cơ sở tính toán theo phơng trình trạng thái Soave - Redlich - Kwong (SRK) đ nêu ở chơng II. P = )(. 5,0 bT a b RT + vv v (IV.3) trong đó: a, b là hằng số tơng quan ; v là thể tích mol. Phơng pháp này thừa nhận giả thiết coi toàn bộ hydrocacbon trong khí là metan và hàm ẩm của CO 2 bằng 75% hàm ẩm của H 2 S ở cùng điều kiện. Vì vậy, để đơn giản tính toán, phần mol CO 2 đợc đổi thành phần mol H 2 S. Khi sử dụng đồ thị phần trăm mol H 2 S sẽ là phần trăm mol CO 2 nhân với 0,75 cộng với phần trăm mol H 2 S thực của hỗn hợp khí. http://www.ebook.edu.vn Hình IV.2. Hàm ẩm của CO 2 trong hỗn hợp khí tự nhiên bão hoà hơi nớc Hàm ẩm, kg H 2 O /10 6 m 3 khí (100 kPa và 15 0 C) Hàm ẩm, lbs H 2 O /MMscf khí (14,7 psia và 60 0 F) á p suất, MPa á p suất, psia 82 http://www.ebook.edu.vn Hình IV.3. Hàm ẩm của H 2 S trong hỗn hợp khí tự nhiên bão hoà hơi nớc 83 Hàm ẩm, kg H 2 O /10 6 m 3 khí (100 kPa và 15 0 C) Hàm ẩm, lbs H 2 O /MMscf khí (14,7 psia và 60 0 F) á p suất, MPa á p suất, psia http://www.ebook.edu.vn 84 H×nh IV.4a. Hµm Èm cña CO 2 H×nh IV.4b. Hµm Èm cña CO 2 Hµm Èm, kg H 2 O /10 6 m 3 khÝ NhiÖt ®é, 0 C NhiÖt ®é, 0 F Hµm Èm, lbs H 2 O /MMscf khÝ http://www.ebook.edu.vn 85 H×nh IV.5a. Hµm Èm cña H 2 S H×nh IV.5b. Hµm Èm cña H 2 S NhiÖt ®é, 0 C Hµm Èm, kg H 2 O /10 6 m 3 khÝ Hµm Èm, lbs H 2 O /MMscf khÝ NhiÖt ®é, 0 F http://www.ebook.edu.vn Hình IV.6. Các giá trị hiệu chỉnh hàm ẩm đối với hỗn hợp khí tự nhiên chua Hàm ẩm, lbs H 2 O /MMscf khí Nhiệt độ, 0 F Nhiệt độ, 0 F Hàm ẩm, lbs H 2 O /MMscf khí Hm ẩm của hỗn hợp khí tự nhiên Các cấu tử trong pha khí 100% CH 4 10% H 2 S, 90% CH 4 20% H 2 S, 80% CH 4 30% H 2 S, 70% CH 4 40% H 2 S, 60% CH 4 Hm ẩm của hỗn hợp khí tự nhiên Các cấu tử trong pha khí 100% CH 4 10% H 2 S, 90% CH 4 20% H 2 S, 80% CH 4 30% H 2 S, 70% CH 4 40% H 2 S, 60% CH 4 86 [...]... 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 ả nh hởng của nitơ và các hydrocacbon nặng là nh nhau trong nhiều hỗn hợp khí IV.4 Hm ẩm cân bằng của các hydrat Hàm ẩm, lbm/MMsdf Hình IV.1 ở trên biểu diễn các đờng cong phụ thuộc của nhiệt độ điểm sơng vào hàm ẩm ở các áp suất khác nhau của hệ. .. không trên tốc độ của ánh sáng trong môi trờng đó Xác định áp suất rút gọn P r và nhiệt độ rút gọn T r của hỗn hợp khí: P T Pr = ; Tr = Pc Tc Xác định thông số Z nhờ cách tính nhanh của EMR từ phân tử lợng và khối lợng riêng của phân đoạn nặng nhất trong hỗn hợp khí đem phân tích Tìm giá trị hằng số k ở giá trị T và P của hệ từ đồ thị phụ thuộc của k vào nhiệt độ và áp suất rút gọn của hơi nớc trên... của hệ 88 http://www.ebook.edu.vn f w , psia f w , MPa http://www.ebook.edu.vn áp suất, MPa áp suất, psia 89 Hình IV.8 Fugat của nớc ở các nhiệt độ và áp suất khác nhau của hỗn hợp khí Các giá trị thấp áp suất rút gọn P r Hình IV.9 Hệ số fugat f / P phụ thuộc vào nhiệt độ rút gọn và áp suất rút gọn của hỗn hợp khí 90 http://www.ebook.edu.vn Xác định fugat của hơi nớc f H 2 O ở giá trị T và P của hệ. .. T và P của hệ từ đồ thị phụ thuộc của f w vào nhiệt độ và áp suất trên hình IV.8 hoặc tính toán từ các đờng cong hệ số fugat ứng với các giá trị nhiệt độ rút gọn và áp suất rút gọn khác nhau của hơi nớc, biểu diễn trên hình IV.9 Xác định giá trị f / P từ đồ thị ở hình IV.9 ứng với các giá trị T r và P r , xác định từ bớc 2 ở trên, từ đó tính đợc f Xác định hàm ẩm của hỗn hợp khí bằng phơng trình... toán nh sau: Tính nhiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn của hỗn hợp, có sử dụng tham số thứ ba là độ khúc xạ phân tử Z Có nghĩa là phơng trình trạng thái ngoài hai thông số nhiệt độ và áp suất còn có thông số thứ ba là độ khúc xạ phân tử Eykman Đây là thông số liên hệ giữa chỉ số khúc xạ và phân tử lợng của phân tử Chỉ số khúc xạ hay còn gọi là chiết suất của một chất là tỷ số tốc độ của ánh sáng trong... IV.7 hoặc tính theo phơng trình sau: P0 k = w P 0 0 f w / Pw fw / P P P0 w http://www.ebook.edu.vn 0,0049 (IV.4) 87 trong đó: 0 Pw là áp suất hơi nớc ở nhiệt độ T của hỗn hợp; P là áp suất của hệ; 0 0 f w là fugat của hơi nớc ở PH 2O và T ; f W là fugat của hơi nớc ở P và T ; 0,0049 là hằng số thực nghiệm áp suất, MPa k áp suất, psi Hình IV.7 Hằng số k ở các nhiệt độ và áp suất...Hàm ẩm tính theo phơng pháp này theo hệ dơn vị Anh: W = 350 ì w trong đó W đợc tính bằng lbm/MMscf; w đợc tính bằng bbl/MMscf, xác định từ đồ thị ở hình IV.6 Hàm ẩm tính theo hệ đơn vị SI: W = 5.543 ì w trong đó W đợc tính bằng kg / 10 6 m 3 ; w đợc tính bằng bbl/MMscf, xác định từ đồ thị ở hình IV.6 Phơng pháp này là phơng pháp gần đúng nhanh nhất để xác định hàm ẩm của khí chua nhờ giả... áp suất 7 MPa và nhiệt độ 35 0 C đợc đa tới máy nén Tại đây khí đợc nén tới áp suất 14 MPa và sau đó đợc làm nguội đến nhiệt độ 500 C trớc khi vào thiết bị dehydrat Hỏi khí vào thiết bị dehydrat có b o hoà hơi nớc không? Từ đồ thị trên hình IV.1 xác định đợc hàm ẩm của khí ở 7 MPa và 350 C là 810 kg/10 6 m 3 , ở 14 MPa và 50 0 C là 1050 kg/10 6 Cấu tử yi m 3 Điều đó có nghĩa là khí vào thiết bị dehydrat... phép tính b Phơng pháp sử dụng phơng trình trạng thái gần đúng Phơng pháp này do Suresh và Sharma cùng các cộng sự đa ra trên cơ sở sử dụng đại lợng khúc xạ phân tử của Eykman và các đẳng thức hoá lý áp dụng cho khí chua Các phơng trình trạng thái gần đúng này là các phơng trình thực nghiệm, có thể tính toán bằng máy tính điện tử hoặc tính bằng tay sử dụng các đồ thị IV.7, IV.8, IV.9 Trình tự tính. .. có mặt của các chất tạo mầm, nhiệt độ, áp suất, mức độ khuấy trộn Hàm ẩm của khí phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hỗn hợp khí, các số liệu đa ra trên hình IV.10 không thể ngoại suy cho các hỗn hợp khí có thành phần khác Lỏng không ổn định Hydrat hoá Nhiệt độ, 0 F Hình IV.10 Hàm ẩm của hỗn hợp khí 5,31% C 3 và 94,69% C 1 http://www.ebook.edu.vn 93 Khi thiết kế sơ đồ công nghệ sấy khí, ví dụ hệ thống . hoà hơi nớc, hàm ẩm của hỗn hợp khí là tổng của hàm ẩm của khí ngọt, hàm ẩm của CO 2 và hàm ẩm của H 2 S. Hàm ẩm của khí chua đợc tính theo biểu thức sau:. sơng của khí ẩm tại áp suất đ cho. Hàm ẩm của khí phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ của hệ và thành phần hỗn hợp khí. Có nhiều phơng pháp xác định hàm ẩm của