Công nghệ xử lý khí - Phần 2 docx

Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 4 PHẦN 2 GIẢN ĐỒ PHA VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ THÔNG SỐ VẬT LÝ CỦA ĐƠN CHẤT Các thông số vật lý của một đơn chất là hoàn toàn xác đònh theo các bảng sau: Hình 2.1 Bảng thông số vật lý Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 5 Hình 2.2 : Bảng thông số vật lý Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 6 Hình 2.3: Bảng thông số vật lý Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 7 GIẢN ĐỒ PHA CỦA ĐƠN CHẤT Đối với chất riêng biệt bao giờ cũng tồn tại điểm tới hạn (C: critical point) tại đó tương ứng ta có áp suất tới hạn Pc và nhiệt độ tới hạn Tc Hình 2.4: Giản đồ pha của đơn chất C 2 H 6 Khi nhiệt độ và áp suất cao hơn nhiệt độ điểm tới hạn khi ấy đơn chất trong vùng “dense phase” đó là vùng trạng thái một pha, vật chất trong vùng này có các tính chất vật lý (thể tích riêng, khối lượng riêng, entanphy, độ nhớt… ) là trung gian giữa chất khí và lỏng. Như vậy trong vùng này ta không thể thay đổi các thông số công nghệ để đưa chất đó về trạng thái hai pha được, điều đó có nghóa là quá trình hoá lỏng một phần hay toàn bộ khí một cấu tử bằng phương pháp nén chỉ thực hiện được khi hạ nhiệt độ khí đó xuống dưới nhiệt độ tới hạn Khi đi từ a xuống b (đẳng nhiệt, giảm áp) đơn chất chuyển từ lỏng sang khí, khi đi từ e qua d (đẳng áp, giảm nhiệt ) thì đơn chất chuyển pha từ khí sang lỏng. GIẢN ĐỒ PHA CỦA HỖN HP KHÍ NHIỀU CẤU TỬ Hình 2.5: Giản đồ pha của hỗn hợp khí. Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 8 Trong hỗn hợp hay dung dòch khí nhiều cấu tử , vùng tới hạn thường là một khoảng rộng các thông số và phụ thuộc vào thành phần khí. Xét trạng thái hệ nhiều cấu tử trong giản đồ P,T hình 2.5, hình 2.6: Ta thấy có các lưu ý: Điểm tới hạn C , tại đó hai pha trở thành một pha Điểm B (cricondenbar) điểm tương ứng với áp suất lớn nhất mà ở đó hỗn hợp có thề ở trạng thái hai pha Điểm T (cricondenthermal) điểm tương ứng với nhiệt độ lớn nhất mà tại đó hỗn hợp có thể tồn tại ở trạng thái hai pha. Những giá trò cực đại của áp suất và nhiệt độ mà tại đó hỗn hợp nhiều cấu tử có thể tồn tại ở trạng thái hai pha được gọi là nhiệt độ và áp suất ngưng tụ tới hạn của hỗn hợp. Hình 2.6: Vò trí vài thông số trên giản đồ pha Vò trí tương hỗ của các điểm C, B, T trên giản đồ P,T phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp Trên giản đồ P,T phần đường bên trái cho tới C là đường điểm sôi (bubble) còn phần đường bên phải là đường điểm sương (dewpoint ) Trong các quá trình thuận thì khi nén lên, hoặc khi giảm nhiệt độ thì chất lỏng ngưng tụ tăng lên Còn ngược lại khi nén lên hay khi giảm nhiệt mà lượng chất lỏng ngưng tụ giảm đi thì đó là quá trình (ngưng tụ , bay hơi) ngược. Trong công nghệ khí người ta hay dùng máy nén để nén khí tăng áp, expander để giảm áp, van giảm áp, trao đổi nhiệt để tăng giảm nhiệt, quạt giảm nhiệt…Khi đạt điều kiện thích hợp một cấu tử nào đó của khí bắt đầu ngưng tụ tất nhiên khí có nhiệt độ ngưng tụ cao nhất sẽ ngưng tụ trước tuy nhiên ta chú ý các cấu tử khí có tính chất hoà tan được trong hydrocacbon lỏng như vậy chắc chắn mặc dù một vài cấu tử chưa đủ điều kiện hoá lỏng thì chúng đã hoà tan một phần sang thể lỏng. Mức độ ngưng tụ các H-C sẽ tăng khi áp suất tăng ở nhiệt độ không đổi, hoặc khi giảm nhiệt độ ở áp suất không đổi. Tuy nhiên quá trình ngưng tụ của hai trường hợp trên sẽ sảy ra khác nhau, khi tăng áp thì các cấu tử nhẹ bò hoà tan vào pha lỏng càng nhiều lên điều này không tốt, khi tăng áp hay giảm nhiệt thì các cấu tử nặng chuyển sang pha lỏng nhanh hơn. Công thức qui đổi nhiệt độ: T o C = T o K-273,15 T o R = 1,8 T o K T o F = T o R – 459,67 T o C = 5/9(T o F - 32 ) Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 9 NHIỆT ĐỘ TỚI HẠN Tc, ÁP SUẤT TỚI HẠN Pc: Đối với đơn chất Tc, Pc là các thông số đã biết qua hình 2.1, 2.2, 2.3 Đối với hỗn hợp sau khi phân tích thành phần hỗn hợp người ta tính Tc, Pc như sau: Tc= ∑ Tci x yi ; Pc= ∑ Pci x yi yi: là phần mole của cấu tử trong hỗn hợp. Ví dụ: Tính toán các thông số nhiệt độ tới hạn Tc, áp suất tới hạn Pc, khối lượng phân tử MW, hệ số không đồng bộ (acentric) W theo công thức cho hỗn hợp như sau: MW= ∑ Mwi x yi Tc= ∑ Tci x yi W= ∑ Wi x yi Pc= ∑ Pci x yi CÂN BẰNG PHA LỎNG – KHÍ CỦA HỆ HYDROCACBON Đại lượng đặc trưng cho sự phân bố các cấu tử giữa các pha trong điều kiện cân bằng được gọi là hằng số cân bằng pha. Nó được xác đònh bằng phương trình: Ki=yi/xi yi là phần mol của cấu tử trong pha hơi, xi là phần mol của cấu tử trong pha lỏng Ki phụ thuộc vào áp suất , nhiệt độ, và áp suất hội tụ (áp suất mà ở đó các hằng số cân bằng của tất cả mọi thành phần đều bằng 1) của hệ. p suất hội tụ được xác đònh theo thành phần của pha lỏng cân bằng (mà thành phần pha lỏng này cũng là ẩn số) do đó thường thì ta chọn một áp suất hội tụ cho hệ lỏng sau đó tra các Ki, tính toán ra thành phần lỏng khí, sau đó từ thành phần lỏng cân bằng ta lại tính ra áp suất hội tụ nếu áp suất hội tụ chọn và tính toán giống nhau thì đó là kết quả đúng. Trong thực tế trong các hệ dầu khí có áp suất dưới 50 bar thì các hằng số cân bằng Ki không phụ thuộc áp suất hội tụ khi đó quá trình tính toán được đơn giản hoá đi rất nhiều. Để tính áp suất hội tụ theo các bước như sau : Chuyển pha lỏng cân bằng thành hệ bậc hai giả trong đó cấu tử thứ nhất là cấu tử nhẹ, có lượng không ít hơn 0,1%mole, cấu tử thứ hai là gồm các cấu tử còn lại. Tính nhiệt độ tới hạn trung bình khối và áp suất tới hạn trung bình khối đối với cấu tử giả nặng theo phương trình: T tbk = ∑ x i MW i T ci / ∑ x i MW i P tbk =∑x i MW i P ci / ∑x i MW i Tci(k) Pci(kpa ) yi MWi Mwi*yi Pci*yi Tci*yi wi yi*w i C1 190.56 4599 0.7 16.043 11.2301 3219.3 133.392 0.0104 0.00728 C2 305.41 4800 0.1 30.07 3.007 480 30.541 0.0979 0.00979 C3 369.77 4240 0.05 44.097 2.20485 212 18.4885 0.1522 0.00761 iC4 407.82 3640 0.03 58.123 1.74369 109.2 12.2346 0.1852 0.005556 nC4 425.1 3784 0.02 58.123 1.16246 75.68 8.502 0.1995 0.00399 iC5 460.35 3381 0.015 72.15 1.08225 50.715 6.90525 0.228 0.00342 nC5 469.65 3365 0.015 72.15 1.08225 50.475 7.04475 0.2514 0.003771 nC6 506.4 3030 0.01 86.117 0.86117 30.3 5.064 0.2994 0.002994 nC7 539.2 2740 0.01 100.204 1.00204 27.4 5.392 0.3494 0.003494 nC8 568.4 2490 0.01 114.132 1.14132 24.9 5.684 0.3977 0.003977 nC9 594.7 2280 0.01 128.258 1.28258 22.8 5.947 0.4445 0.004445 nC10 617.7 2100 0.01 142.258 1.42258 21 6.177 0.4898 0.004898 CO2 304.11 7374 0.01 44.01 0.4401 73.74 3.0411 0.2667 0.002667 H2S 373.37 8963 0.005 34.082 0.17041 44.815 1.86685 0.0948 0.000474 N2 126 3399 0.003 28.0134 0.08404 10.197 0.378 0.0372 0.0001116 H2O 647 22118 0.002 18 0.036 44.236 1.294 0.3443 0.0006886 Total 1 27.9528 4496.758 251.9521 0.0651662 Mw Pc(kpa) Tc(k) W Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 10 Sau đó đánh dấu trên hình 2.7 vò trí cấu tử giả nặng có tung độ và hoành độ là P tbk, T tbk , bằng con đường nội suy giữa các đường cong tới hạn bậc 2 có trên đồ thò chúng ta vẽ đường cong tới hạn cấu tử nhẹ-cấu tử giả nặng. Từ đường cong vẽ được và áp suất ban đầu của hệ điểm gióng từ nhiệt độ qua đường cong chính là áp suất hội tụ. Hình 2.7: Đồ thò kiểm tra áp suất hội tụ Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 11 Sau đó so sánh áp suất hội tụ chọn và tính toán nếu sai khác khoảng dưới 12% là chấp nhận được. ng dụng hệ số cân bằng trong tính toán dòng khí qua bình tách như sau: zi là phần mol của cấu tử trong dòng khí vào bình tách, yi là phần mol của cấu tử trong pha hơi, xi là phần mol của cấu tử trong pha lỏng F tổng số moles khí vào bình V tổng số moles khi ra khỏi bình L tổng số moles chất lỏng ngưng tụ Phương trình cân bằng vật chất Fzi = Vyi + Lxi; F=V+L , Ki=yi/xi Thay vào Fzi = Vyi+Lxi , yi =Ki*xi => Fzi = Vki*xi + Lxi =xi(L+Vki) Để đơn giản ta xét F=1 khi đó xi = zi/( L+Vki) Ta chú ý ∑ xi = 1 như vậy ∑ zi/( L+Vki) =1 trong phương trình này zi đã biết, Ki tra theo P,T, ta chỉ cần thay L (từ 0 đến 1) để cho ∑ zi/( L+Vki) =1 là được Dòng khí vào bình tách có thể không có ngưng tụ chất lỏng khi đó L = 0, V=1 khi này bài toán là xác đònh điều kiện dewpoint P,T hay dòng khí ngưng tụ hoàn toàn L=1, V= 0 khi đó bài toán là xác đònh điều kiện bublepoint Bài toán tính thành phần khí khi qua bình tách khí: (solution02) Trước khi làm bài toán này bạn phải chắc chắn hỗn hợp vào bình phải là trạng thái hai pha thì khi đó mới có phân chia lỏng khí. Các điều kiện dưới đây cho phép bạn dự đoán trạng thái dòng khí vào bình tách : Nếu ∑ kizi và ∑ (zi/ki) cả hai đều lớn hơn 1 thì dòng vào bình là 2 pha ∑ kizi nhỏ hơn 1 thì dòng vào là toàn lỏng , ∑ kizi = 1 dòng vào là bublepoint ∑(zi/ki) nhỏ hơn 1 thì dòng vào là toàn khí, ∑(zi/ki) = dòng vào là dewpoint. ∑ kizi và ∑ (zi/ki) sẽ không đồng thời nhỏ hơn 1 Cho P=4140kpa, T= -30 o C ta chọn L sao cho total cột G=1 và cột H=1 là hệ cân bằng, có P, T tra bảng ra Ki (lưu ý Kco2=(Kc1*Kc2) 0,5 ) A B C D E F G H Moles Ni Ki L moles V moles L+Vki xi=Ni/(L+Vki) yi=Ki*xi C1 0.901 3.7 0.03 0.97 3.6189 0.2489710 0.9211926 CO2 0.0106 1.23 0.03 0.97 1.2231 0.0086666 0.0106599 C2 0.0499 0.41 0.03 0.97 0.4277 0.1166644 0.0478324 C3 0.0187 0.082 0.03 0.97 0.1096 0.1706587 0.0139940 IC4 0.0065 0.034 0.03 0.97 0.063 0.1031463 0.0035070 Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 12 NC4 0.0045 0.023 0.03 0.97 0.0523 0.0859637 0.0019772 IC5 0.0017 0.0085 0.03 0.97 0.0383 0.0444058 0.0003774 NC5 0.0019 0.0058 0.03 0.97 0.0357 0.0532745 0.0003090 C6 0.0029 0.0014 0.03 0.97 0.0314 0.0923669 0.0001293 C7 0.0023 0.0003 0.03 0.97 0.0303 0.0758821 0.0000212 Total 1 1.0000000 1.0000000 Bài toán xác đònh nhiệt độ điểm sương ở P=5500kpa (dòng khí sau khi qua bình tách ở trạng thái hơi hoàn toàn V=1, L=0). Chọn T= 228 o K thoả mãn A B C D E F G H Ni Ki L moles V moles L+Vki xi=Ni/(L+Vki) yi=Ki*xi T(K) C1 0.854 2.73 0 1 2.73 0.3128205 0.8540000 228 CO2 0.051 0.866 0 1 0.866 0.0588915 0.0510000 C2 0.063 0.275 0 1 0.275 0.2290909 0.0630000 C3 0.032 0.07 0 1 0.07 0.4571429 0.0320000 Total 1 1.0579457 1.0000000 Cho P=5500kpa T= ??? ta chọn L=0 vì trạng thái dewpoint sao cho total cột G=1và cột H =1, có P, T tra ra Ki Kco2=(Kc1*Kc2)^0,5 Bài toán xác đònh nhiệt độ điểm sôi ở P=1758kpa (dòng khí sau khi qua bình tách ở trạng thái lỏng hoàn toàn V=0, L=1) A B C D E F G H Moles Ni Ki L moles V moles L+Vki xi=Ni/(L+Vki) yi=Ki*xi C2 0.0208 2.45 1 0 1 0.0208 0.0510 C3 0.9582 0.98 1 0 1 0.9582 0.9390 IC4 0.0172 0.51 1 0 1 0.0172 0.0088 NC4 0.0038 0.395 1 0 1 0.0038 0.0015 Total 1 1.0000 1.0003 Tìm P=1758 kpa T= 49C ta chọn L=1 vì trạng thái bublepoint sao cho total cột H=1và cột G=1, có P, T tra ra Ki Bài toán ví dụ để kiểm tra áp suất hội tụ: Cho hỗn hợp khí qua bình tách khí ở 3400kpa và –30 o C hãy tính thành phần khí lỏng ra khỏi bình tách: Moles Ni or zi Ki L moles V moles L+Vki xi=Ni/(L+Vki) yi=Ki*xi C1 0.8745 3.45 0.05328 0.94672 3.319464 0.2634462 0.9088893 C2 0.0586 0.46 0.05328 0.94672 0.488771 0.1198925 0.0551505 C3 0.0372 0.113 0.05328 0.94672 0.160259 0.2321235 0.0262300 nC4 0.0212 0.034 0.05328 0.94672 0.085469 0.2480442 0.0084335 nC5 0.0085 0.0095 0.05328 0.94672 0.062274 0.1364936 0.0012967 Total 1 1.0000000 1.0000000 Tci(k) Pci(kpa) xi MWi Mwi*xi xi*MWi*Pci xi*MWi*Tci C1 190.56 4599 0.263 0 0 0 0 C2 305.41 4880 0.119 30.07 3.57833 17175.984 1092.857765 C3 369.77 4240 0.232 44.097 10.2305 43377.33696 3782.933464 nC4 425.1 3784 0.25 58.123 14.53075 54984.358 6177.021825 nC5 469.65 3365 0.136 72.15 9.8124 33018.726 4608.39366 Total 1 38.1520 148556.405 15661.20671 Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 13 Cho P=3400kpa T= -30C ta chọn L sao cho total cột G=1 và cột H =1 là hệ cân bằng, có P, T tra Ki với áp suất hội tụ 1500psi. Solution 47 , Solution 48 Kiểm tra áp suất hội tụ: T tbk = ∑ x i MW i T ci / ∑ x i MW I = 15661/38,15 = 410 o K = 137 o C P tbk =∑x i MW i P ci / ∑x i MW I = 148556/38,15 = 3893 = 564psi Dựa vào hình 2.7 ta đònh vò điểm có T tbk = 137 o C , P tbk = 564psi , vẽ đường cong đi qua điểm đònh vò và điểm cấu tử nhẹ mêtan, từ nhiệt độ làm việc –30 o C gióng lên đường cong đã vẽ, gióng tiếp sang trục áp suất được 1500 psi, do đó kết quả tính toán qua bình tách trên là chính xác. [...]... Z^ 3-( 1+B)Z ^2+ AZ-AB=0 A=a*P/(R^2T ^2) B=bP/R/T a =27 R^2Tc ^2/ 64/Pc b=RTc/8/Pc CHÚ Ý Z CHỈ ĐÚNG KHI F(Z)=0 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH HỆ SỐ NÉN Z: THEO PENG ROBINSON Z^ 3-( 1-B)Z ^2+ (A-2B-3B ^2) Z-(AB-B ^ 2- B^3)=0 A=a*P/(R^2T ^2) B=bP/R/T a=0,45 724 R^2Tc ^2/ Pc*α α^0,5=1+m(1-Tr^0,5) b=0,0778RTc/Pc m=0,37464+1,5 422 6W-0 ,26 992W ^2 Tr=T/Tc CHÚ Ý Z CHỈ ĐÚNG KHI F(Z)=0 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH HỆ SỐ NÉN Z: THEO REDLICH -KWONG Z^3-Z ^2+ (A-B-B ^2) Z-AB=0... 183.9 23 2.6376 27 3.4 623 309. 323 3 341.5 722 370.98 62 398.0693 423 .17 42 446.5614 468.4308 488.9407 508 .21 91 526 .3 721 543.4884 Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform Tc(K) 190.7 29 8.1 623 370.046 425 .0701 469.7857 507.4833 540.0801 568.7978 594.4654 617.6718 638.8504 658.33 676.3653 693.1583 708.87 12 Pc(kpa) 5515 .20 6 4818.774 422 6.497 3735.185 3 328 .25 8 29 89 .22 6 27 04.369 24 62. 849 22 56 .23 8 20 77.988... 0.01744 0.011 62 0.1 320 3 4.90099 0. 128 86 18.9 022 ) Pci*yi 3869.599 28 . 32 3.3 92 1.0 92 0.7568 22 . 122 128 8.879 15.6354 522 9.796 Tci*yi 160.33 72 1.801919 0 .29 5816 0. 122 346 0.085 02 0.9 123 3 53.69061 0.5796 21 7. 824 8 Pr/ = 13,94/5 ,23 = 2, 67 Tr/ = 331 /21 8 = 1, 52 Tra đồ thò 2. 20 ta được z = 0,8 KHỐI LƯNG RIÊNG, THỂ TÍCH RIÊNG KHÍ HYDROCACBON Từ phương trình PV=ZnRT Xét n kmoles khí có thể tích V sẽ nặng nMW kg Khối... 0.01336 0 .28 8456 421 0.04 326 8 CO2 0.05 44.01 2. 2005 23 74 118.7 304.11 15 .20 6 0.0 021 4 0.00471 0.088 425 804 0.004 421 1 19 .23 685 186.59 MW T(K)= 0.0941814 0.09 726 Tcm 28 3 P(kpa)= Vcm 0 .27 7546 Zcm 620 0 Pcm= Zcm*R*Tcm/Vcm= 4 427 .063 ξ= 21 ,74(Tcm^(1/6)/MW^0,5/Pcm ^2/ 3)= Tr=T/Tcm= 0.0439 1.517 if Tr>1,5 then ξµA = 0.000489 µA = if Tr1,5 thì Nếu Tr . 0 .26 344 62 0.9088893 C2 0.0586 0.46 0.05 328 0.946 72 0.488771 0.1198 925 0.0551505 C3 0.03 72 0.113 0.05 328 0.946 72 0.16 025 9 0 .23 2 123 5 0. 026 2300 nC4 0. 021 2 0.034 0.05 328 0.946 72 0.085469 0 .24 804 42. 109 .2 12. 2346 0.18 52 0.005556 nC4 425 .1 3784 0. 02 58. 123 1.1 624 6 75.68 8.5 02 0.1995 0.00399 iC5 460.35 3381 0.015 72. 15 1.0 822 5 50.715 6.90 525 0 .22 8 0.003 42 nC5 469.65 3365 0.015 72. 15 1.0 822 5. 0.003977 nC9 594.7 22 80 0.01 128 .25 8 1 .28 258 22 .8 5.947 0.4445 0.004445 nC10 617.7 21 00 0.01 1 42. 258 1. 422 58 21 6.177 0.4898 0.004898 CO2 304.11 7374 0.01 44.01 0.4401 73.74 3.0411 0 .26 67 0.0 026 67 H2S 373.37