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

ộc 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: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 27 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. X = 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: X = 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 Lớp i Lớp 4 Lớp 3 Lớp 2 Lớp 1 Hình H.9. Mô hình hấp phụ vật lí nhiều lớp theo lí thuyết BET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 28 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 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 29 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: S = S0 + S1 + S2 + + Si (I.8) 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: a1pS0 = 1 Q /RT 1 1 b Se (I.9) 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: LQ /RT i 1 i apS bSe  (I.10) Với i i 1 S x S  thì (I.10) trở thành. L i Q / R i 1 S ap x S be   (I.11) Mặt khác, có thể chứng minh x = p/p0. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 30 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: L Q /RT 0 ap b e  Từ đó suy ra: LQ /RT 0 be P a   Hoặc LQ /RT 0 P ap P be  (I.12) So sánh (I. 11) và (I.12) ta có: x = 0 P P (I.13) Tỉ số 0 P P đƣợc gọi là áp suất tƣơng đối. Riêng đối với lớp hấp phụ thứ nhất, từ (I.9) ta có: 1 1 1 Q / RT 0 1 S a p S b e  (I.14) So sánh (I.14) và (I.11) rút ra: 1 0 S S = cx (I.15) Với C = 1 1 L 1 a b .e(Q Q )/RT ab  (I.16) Dựa vào các biểu thức (I.15) và (I.11) ta có thể biểu diễn các bề mặt Si qua S0. S0 = S0. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 31 S1 = S0 cx. S2 = S1x = S0 cx 2 . S3 = S2x = S0cx 3 . Si = Si-1x = S0cx i .  S = 2 3 i 0 x i o S S (1 cx cx cx ... c i)         = 0 x S 1 c 1 x       (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 = 2S0cx 2 d v3 = 3S3d = 3S0cx 3 d .. vi = iSid = iS0cx i d  v = 2 i 1 i 0 i o iSd S cxd(1 2x 3x ... ix )         =   0 2 S cxd 1 x (I.18) Chia (I.18) cho (I.17) đƣợc:   v cxd s (1 x) 1 x(c 1)     hoặc v =   m v .cx (1 x) 1 x(c 1)   (I.19) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 32 Trong đó: vm = Sd là thể tích lớp hấp phụ đơn phân tử trên toàn bộ bề mặt S. Thay x = 0 p p trong hệ thức (I.19), biến đổi và rút ra: 0 m m 0 P 1 (c 1) p . v(p p) v c v c p     (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 = n n 1 m x n 1 v c {1 (n 1)x nx } (1 x){1 (c 1)x cx }          (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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 33 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). 2 2 K a K PT T B lg . T P0Wa .e b          (I.17) Trong đó: W0 - Thể tích của không gian giới hạn hấp phụ. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 34 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. X n (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: S q const T  (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, 0 K. Hằng số q/ ST phụ thuộc vào chất hấp phụ. Ngoài ra nhiệt hấp phụ cũng có thể tính theo công thức sau đây: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 35 3 2 1 1 2 P 44.10 lg P q 1 1 T T                   , 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 0 K. 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. 421 3 5 Thêi gian chu kú, h 0 100 N h iÖ t ® é k h Ý t¸ i si n h , 0 C 200 0 86 7 AT T2 BT 3T CT 4T DT CT T b¾t ®Çu KÕt thóc BA 3 C D 2 1 TH Hình H.12. Chế độ nhiệt độ trong thiết bị tái sinh theo thời gian. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 36 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 1 2 T T 2  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 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 37 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: m = . Fh (C0 - CB) (I.21) 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: Sh = 2,0 + 1,1. 1/ 2 0,6 C eS .R (I.22) Trong đó: Sh = .dh D  , chuẩn số Shewood (I.23) CS .D    , Chuẩn số Shmidt (I.24) e dh. . R     (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. Q = m.Cp (TB - TA) = m.H (I.26) Hay Q = . Fh. (C0 - Cb) . H (I.27) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 38 Và quá trình cấp nhiệt từ bề mặt ra: Q = . Fh. (T - T) (I.28) Trong đó:  - Hệ số cấp nhiệt, và nó đƣợc tính theo biểu thức sau: 1/3 0,6u r eN 2 1,1.P .R  (I.29) Từ (I.27) và (I.28) ta có: b . H. C T T T         (I.30) Hay r C P. H. CD. H. C T S .C.         (I.31) Trong đó:  m D   ; m     m - chiều dày màng. Pr = C  , chuẩn số Pran.  - Khối lƣợng riêng; C - Nhiệt lƣợng.  - Hệ số dẫn nhiệt. D - hệ số khuếch tán của pha hơi. Đối với hấp phụ khí: r C P 1 S 5   5 H C   thƣờng lớn. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 39 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 = r dm c C D . F.dt r l           (I.32) Trong đó: l - độ dài thật của một mao quản C J' Dr. l    (I.33) Nếu thay l bằng độ dài này của vật liệu xốp mao quản L, dòng trung bình trên toàn mặt sẽ là: C J' De L    (I.34) Trong đó: De – Hệ số khuếch tán hiệu dụng. Nếu gọi độ xốp là  thì: J = . Jp (I.35) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 40 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. P J J' L l  (I.36) C C De. Dr. L l .L l     (I.37) Mà 2 2 2 2 Dr Dr. De . .L Dr. l Tl L             (I.38) Với T2 = 2 l L       là chỉ số khúc khuỷu T 2 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:   b 0 b r r c C C De. r       (I.39) rb – bán kính của viên. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 41 Biến đổi, nhân rb. b 0 b b c .r (C C ) De. r r           (I.40) 0b b 0 C C.r 1 . De r C 1 r C                     (I.41) b.r De  = 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: (Tb – T0) = . dt dr (I.42) 0b b 0 b t t.r 1 . t r1 t r                (I.43) Trong đó: b i .r B   : 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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 42 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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 43 - 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 Tỷ trọng tƣơng đối 2020 1,116 1,118 1,125 1,034 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). ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 44 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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 45 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 - 85 0 C  -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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 46 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) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 47 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 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 48 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). ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 49 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 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 50 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) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 51 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 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 52 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) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 53 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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 54 - 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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 55 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 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 56 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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 57 - 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). ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 58 PHẦN II TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 59 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 = -10 0 C và sau khi sấy có ts = -35 0 C. - 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 C1 78,82 C2 12,87 C3 6,58 C4 1,34 C5 + 0,39 100 II.2. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY KHÔ BẰNG PHƢƠNG PHÁP HẤP PHỤ. 1. Vận tốc khối lƣợng. Um = (78. c. k. h. Dhg) 0,5 (II.1) Trong đó: Um - vận tốc khối lƣợng khí, kg/cm 2 . k - Khối lƣợng riêng khí ở điều kiện làm việc, kg/m 3 . ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 60 h - Khối lƣợng riêng trung bình chất hấp phụ, kg/m 3 . 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/m 3 ); g = 9,81 (m/s 2 ) Tính k: Ta có: T = 25 + 273 = 298 0 K P = 5MPa Cấu tử yi Pc P'c Tc T'c M M' C1 0,882 4,60 3,5705 191 148,254 16,043 12,5456 C2 0,1287 4,88 0,6246 305 39,04 30,07 3,8700 C3 0,0658 4,25 0,272 370 23,68 44,097 2,9016 C4 0,0134 3,80 0,044 425 4,93 58,124 0,7788 C5 + 0,0039 3,37 0,0129 569 2,9588 72,15 0,281 4,524 218,863 20,5415 Áp suất rút gọn của hỗn hợp: r c P 5 P P 4,524     = 1,1 Nhiệt độ rút gọn của hỗn hợp. r c T 298 T T 218,8628     = 1,36 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 61 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  = MV V Ta nhận đƣợc công thức tính tỷ trọng thực của khí ở nhiệt độ T =298 0 K và P = 5 MPa. M '.P zRT   (II.2) Trong đó: M' - khối lƣợng phân tử. Thay các giá trị vào (II.2) ta có tỷ trọng thực của khí: k 20,5415.5 0,86.0,00831.298   = 48,23 (kg/m 3 ). Nên: Um = (78 . 0,03 . 48,23 835 . 0,004 . 9,81) 0,5 = 60,81 (kg/cm 2 ) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 62 Hình H.18: Giản đồ Katz xác định hệ số chịu nén ở các giá trị áp suất thấp Z= 0,86 1,1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 63 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:   2 1 2 H O v G n    (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 = -10 0 C tại P = 5MPa, từ hình (H.19) ta có: 1 = 66 (kg / 10 6 m 3 ). - Sai khi sấy khí có nhiệt độ điểm sƣơng ts = -35 0 C tại P = 5MPa, từ hình (H.19) ta có: 2 = 12 (kg / 10 6 m 3 ). - 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: 2 6 6 H O 5.10 .(66 12).10 G 3   = 90 (kg/chu kỳ) (1 chu kỳ làm việc là 8h) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 64 Hình H.19: Hàm lƣợng ẩm của khí tự nhiên khô ngọt -10 0 C 25 0 C 2 = 12 1 = 66 ' = 600 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 65 3. Đƣờng kính của tháp hấp phụ. Đƣờng kính của tháp hấp phụ đƣợc tính theo công thức: p V D 0,785.v  (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: 0,5 p p g D v c.        (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: 0,05 p 0,004 v 1200 48,23        = 10,93 (m/s) Thay giá trị này vào (II.4) ta đƣợc: 65.10 D 0,785.10,93.24.3600  = 2,597 (m) Quy chuẩn D = 2,6 (m). ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 66 4. Tính vận tốc tuyến tính của khí trong tiết diện tự do của tháp hấp phụ ở điều kiện làm việc: 1 2 V v 0,785.D .24.3600  6 2 5.10 0,785.2,6 .24.3600  = 10,93 (m/s) 5. Xác định tải trọng riêng của lớp nƣớc (kg/h.m 2 ): 2 H O 2 G q .0,785.D   (II.6) Trong đó:  - Thời gian của chu kỳ, h. 2H O G - Khối lƣợng của nƣớc tách trong một chu kỳ Thay số vào (II.6) ta có: 2 90 q 8.0,785.2,6  = 2,2 (kg/h.m 2 ) 6. Chiều dài vùng hấp phụ: 0,7895 vh 0,2646 0,5506 1 S q l A. P v . P        (II.7) Trong đó: A - Hằng số, A = 31,3 q - Tải trọng riêng. S P P - Độ ẩm tƣơng đối. v1 - Vận tốc tuyến tính. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 67 - Xác định độ ẩm tƣơng đối: + Độ ẩm ban đầu: 1 = 66 (kg/10 6 m 3 ). + 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. 1 S P 66 P ' 600         . 100 = 11 (%) Thay các giá trị trên vào (II.7). lvh = 31,3 . 0,7895 0,5506 0,2646 2,2 10,91 .11 = 22 (cm) 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.  vh d p H 0,45.l a a . H   (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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 68 ap = 0,98 Thay vào (II.8) ta có:   d 5,2 0,45.0,22) a 0,98. 5,2   = 0,96 (kg H2O / 100kg  - Al2O3). 8. Chiều cao cần thiết của lớp hấp phụ động: 2 H O 1 2 h d 127,4.G l .D .a   (II.9) Thay số vào (II.9) ta có: 1 2 127,4.90 l 835.2,6 .0,96  = 2,2 (m) Ta thấy l1 < H (hợp lí). 40 50 60 70 80 90 5 10 15 § é È m c ©n b »n g ® é n g § é Èm t- ¬ng ®èi cña khÝ P/Ps, % a p 2 5 C 0 100 3 2 1 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 25 0 C. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 69 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: d h 11 0,01.a . .l q    (II.10) Thay số vào (II.10) ta đƣợc: 1 0,01.0,96.835.2,2 2,2   = 8 (h) Do chu kỳ hấp phụ đã chọn là  = 8 (h) do đó giá trị 1 = 8(h) thoả mãn yêu cầu. 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 70 50 40 30 Nhiệt độ, 0 C 0,98 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 70 10. Tổn thất khi khí chuyển động qua lớp hạt chất hấp phụ đƣợc xác định theo biểu thức: 2 k p 2 p 2.f . .H.v P d .g.     (II.11) Trong đó: f - Hệ số ma sát k - Khối lƣợng riêng của khí, kg/m 3 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/s 2 ) ; k = 48,23 (kg/m 3 ) 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: 1 p k e v .d . R . .g     (II.12) Trong đó:  - Độ nhớt tuyệt đối của khí. Theo Sổ tay quá trình và công nghệ hoá học thì 2 1 1 1 th1 2 2 2 th2 h 1 1 th1 2 2 th2 m . . M .T m . . M .T ... m . M .T m . M .T ...         m1, m2 - Nồng độ của các cấu tử. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 71 1, 2 - Độ nhớt của các cấu tử. Tth1, Tth2 - Nhiệt độ tới hạn. Tra bảng và tính đƣợc: 2 3 h 0,01985.10  (Ns/m2) Thay vào (II.12) ta có: 3 e 3 10,93.4.10 .48,23 R 39.0,01985.10 .9,81    = 278 Từ hình (H.22) ta tìm đƣợc hệ số ma sát f = 5. Thay các giá trị vào (II.11) ta có: 2 3 2 2.5.48,23.5,2.10,93 P 4.10 .9,81.39   = 5020 (kg/cm 2 ) = 49,2 (KPa) Hình H.22. Sự phụ thuộc hệ số ma sát dòng khí trong lớp hấp phụ Số Reynolds Re 0,1 10 100 1000 1000 100 10 1,0 H ệ số m a sá t ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 72 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: Q1 = G1C1 (T4 - T1) (II.12) 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, 0 C. C1 - Nhiệt dung riêng chất hút nƣớc tái sinh, C1 = 0,24. + Nhiệt độ tái sinh của  - Al2O3 nằm trong khoảng 177  315 0 C nên ta chọn T4 = 250 0 C. + 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 = 40 0 C. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 73 Khi này ta có khối lƣợng chất hấp phụ: G1 = 100. 100 8 = 1250 (kg) 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 . 10 3 (KJ/kg 0 C). + Chiều cao của tháp. Ht = H + 2 = 5,2 + 2 = 7,2 (m) Mặt khác:  2 2 2n t tVO 3,14 G D D .H. 4    (II.14) Trong đó: t - Khối lƣợng riêng của thép CT3 ,  = 7850 (kg/m 3 ). Dn, Dt - đƣờng kính ngoài và đƣờng kính trong của tháp - Chọn chiều dày tháp  = 5 (mm) Thay vào (II.14) ta có:  2 2 2VO 3,14 G 2,61 2,6 4   . 7,2 . 7850 = 2311,6 (kg) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 74 Khi này: G2 = 1,01 . 2VOG = 1,01 . 2311,6 = 2334,72 (kg) Thay các giá trị trên vào (II.13) Q2 = 2334,72 . 0,5 . 10 3 . (254 - 40) = 245145,6 (kJ/h) 3. Nhiệt Q3 cần để đun nóng nƣớc đến nhiệt độ sôi đƣợc xác định theo biểu thức: Q3 = 2H O G C1 (T2 - T1) (II.15) Trong đó: 2H O G - Khối lƣợng nƣớc đƣợc hấp phụ bởi chất hấp phụ trong chu trình hấp phụ. T2 - Nhiệt độ sôi của nƣớc, T2 = 100 0 C. C1 - Nhiệt dung riêng của nƣớc. C1 = 4,189 (KJ/kg 0 C) 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: Q4 = 2H O G . 2H O q (II.16) Trong đó: 2H O q - Nhiệt bay hơi nƣớc, 2H O q = 2260 . 103 (J/kg) Thay vào (II.16) ta có: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 75 Q4 = 90 . 2260 . 10 3 = 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: Q5 = 0,2 . Q4. (II.17) = 0,2 . 203400 = 40680 (kJ/h) 6. Tổng nhiệt lƣợng cần cung cấp cho quá trình tái sinh: Q = 1,05 (Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5) (II.18) = 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   2 r H O Q cần để giải hấp 1 đơn vị khối lƣợng nƣớc hấp phụ: 2 2 rH O H O Q Q G  (II.20) Hay: 2rH O 603588,51 Q 90  = 6706,539 (kJ/kgH2O) 9. Xác định khối lƣợng khí tái sinh: Q = GK . CK (Tts - T1) (II.21) Trong đó: GK - Khối lƣợng khí đem tái sinh. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 76 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/kg 0 C) Từ (II.21) ta có:  K K ts 1 Q G C T T   (II.22) = 603588,51 2,455(250 40) = 1170,77 (kg) 10. Thể tích khí tái sinh: Vts = K K G  (II.23) Hay Vts = 1170,77 48,23 = 24,275 (m 3 ) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 77 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 2H O G = 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 (m 3 ). - 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). ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 78 - 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 2rH O Q = 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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 79 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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 80 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 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 81 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 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: NGUYỄN ANH TUẤN 82 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