Tính toán thiết kế hệ thống sấy khô khí thiên nhiên bằng phương pháp hấp phụ sử dụng tác nhân sấy là zeolit a

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ HỐ HỌC BỘ MƠN HŨU Cơ - HỐ DẦU £0 ^0 ĐỚ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: Tính tốn thiết kế hệ thống sấy khơ khí thiên nhiên phưong pháp hấp phụ sử dụng tác nhân sấy zeolitA Giáo viên hướng dẫn: PGS TS NGUYỄN thị minh hiển Sinh viên thực : PHẠM VĂN CƯƠNG Lóp : DẨU 03NA - 05 HỐ MỤC LỤC Phần I: Tổng quan Trang ĐỚ ÁN TỐT NGHIỆP ^ X, u I Tjl ' ti G, ^ = 1,66(2) PHẦN I: TỎNG QUAN I MỎ ĐẦU Khí tự nhiên khí đồng hành khai thác lịng đất,là hon hợp hydrocacbon dãy metan gồm có: CH4, C2 H6, C3 H8, C4 H10, thành phần khí cịn có: He, N2, CO2, H2, số lượng hàm lượng thay đối khoảng rộng Trong khí tự nhiên thành phần chủ yếu metan (chiếm đến 98% theo tích) Các mỏ khí tự nhiên túi khí nằm sâu lịng đất Khí đồng hành: nhận từ mỏ dầu với trình khai thác dầu mỏ Trong thành phần khí đồng hành ngồi cấu tử metan cịn có etan, propan, butan hydrocacbon nặng với hàm lượng đáng kế Thành phần cấu tử khí thay đối phạm vi rộng tùy theo mỏ dầu khai thác Với có mặt nước, CO2, N2, H2S hợp chất chứa lưu huỳnh khí tự nhiên khí đồng hành gây xấu đến thiết bị vận chuyển, chế biến khí, phức tạp q trình vận chuyển khơng an tồn sử dụng Trong nước tạp chất tạo họp chất hydrat với hydrocacbon, hydrat có khả tạo thành mạch tinh thể bền vững hydrat tinh thể màu trắng chất dung dịch rắn, dung môi phân tử nước liên kết với liên kết hydro Các phân tủ’ hydrocacbon nhẹ (CH4, C2 H6, C3 Hg, C4 H10) thâm nhập vào mạng lưới tạo thành mạch tinh thể hydrat bền vững, chúng bịt kín đường ống dẫn gây khó khăn cho việc vận chuyển làm việc bơm Tại giá trị áp suất nhiệt độ định, khí thiên nhiên bão hịa nước có khả tạo hydrat Khi nhiệt độ không thay đôi, tạo hydrat xảy áp suất lớn với hydrocacbon có trọng lượng phân tử nhở Qúa trình hydrat hóa xảy áp suất riêng phần nước hỗn hợp khí lớn áp suất bão hòa hydrat Như giảm hàm lượng ẩm khí cho áp suất riêng phần nước nhỏ áp suất bão hịa hydrat khí thiên nhiên Trong hỗn hợp thành phần khí có hàm ấm lớn, đặc biệt có CƠ2 H20 thành phần khí gây ăn mịn đường ống thiết bị Neu dùng khí làm ngun liệu âm có thê ngưng tụ tạo dịng hai pha khí - lỏng đường ống dẫn đến việc phát triển thành nút xảy cố vòi đốt Còn cơng nghiệp tống hợp hữu hóa dầu, có mặt CO2, H2O, H2S, làm ảnh hưởng xấu đến sản phấm Như nguyên liệu phản lực có chứa nước làm giảm nhiệt trị, giảm công suất động cơ, dầu FO chứa H2S gây ăn mịn thiết bị Vì ngồi việc làm khí sấy khí trước chế biến tiếp đem sử dụng công đoạn cần thiết cơng nghiệp chế biến khí ĨI KHAI THÁC CHÉ BIỂN KHỈ Ớ VIẺT NAM VAI TRỊ CỦA KHÍ THIỂN NHIÊN TRONG NỀN KINH TỂ QUỐC DẰN Vai trị khí thiên nhiên kỉnh tế quốc dân Khí thiên nhiên khí đồng hành nguyên liệu có giá trị đế sản xuất nhiên liệu nhiên liệu cho tổng hợp hóa dầu Các sản phẩm q trình chế biến là: xăng khí, khí hóa lỏng khí khơ, hydrocacbon (propan, izo-butan, n-butan, pentan) Chế biến khí tự nhiên khí đồng hành thực nhà máy đặt xí nghiệp khai thác chế biến khí tự nhiên khí đồng hành Với trình độ khoa hoc nay, tù' nguyên liệu khí thiên nhiên khí đồng hành, người ta sản xuất 600 sản phẩm khác như: rượu, andehit, xeton, NH 3, chất dẻo, sợi hóa học, phân bón chất tẩy rửa tổng họp, chất nổ, dầu nhờn bôi máy, nhiên liệu cho động đốt trong, cao su tổng hợp Metan thành phần khí tự nhiên Nó sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu cho lò nồi Etan, propan, butan hydrocacbon nặng dùng chủ yếu cho công nghiệp tổng họp hữu Vì nước cơng nghiệp phát triển nguồn ngun liệu đóng vai trị quan trọng Mỹ từ etan chế biến 40% etylen phục vụ cho sản xuất nhựa tống hợp, oxit etylen, chất hoạt động bề mặt, nhiều sản phâm hóa học khác (hiện người ta đánh giá mức độ phát triến công nghiệp tống hợp hữu theo tống sản lượng nhu cầu etylen) Ớ nước Tây Âu sau tìm mỏ khí tăng cường phát triển nguyên liệu nhiệt phân nhẹ, mặt khác butadien sản phẩm phụ khác trình nhiệt phân benzen nguyên liệu cần thiết Thực tế nhiều nước giới cho thấy với trừ lượng dầu khí tự nhiên lớn, tố chức sản xuất quy mơ lớn có lợi nhuận cao, sản phẩm etan, khí hóa lỏng (LPG, LNG), hydrocacbon khác nhiên liệu động Khí tự’ nhiên khí đồng hành không nguyên liệu sản xuất etan, propan hợp chất khác, làm chế biến khí người ta cịn nhận lượng lớn lưu huỳnh, He số sản phẩm vô khác cho nhiều ngành kinh tế quốc dân Mỹ đứng đầu sản xuất He - sản phẩm quan trọng cơng nghệ nghiên cứu vũ trụ, khí quyển, kỷ thuật thấm lạnh, sắc kí, Canada đứng thứ hai sản xuất họp chất chứa lun huỳnh từ cơng nghiệp chế biến khí Ngày nhu cầu sử dụng nhiên liệu khí lớn mà nguồn nguyên liệu ngày khan phải khai thác sử dụng cách họp lý Đây vấn đề giới quan tâm Khai thác chế biến khí Vỉêt Nam Ngành dầu khí VN phát triển mạnh, với trữ lượng khí lớn theo tính tốn cơng ty BP, trữ lượng khí vào khoảng 300 - 400 tỷ m3 Trước phát triển Tiền Hải (Thái Bình), gần với kết thăm dị khu vực sơng Hồng có trữ lượng khí lớn, thềm lục địa miền Trung phát thêm số mỏ khí thành phần khí có lượng C0 q cao (đến 75%), hàm lượng hydrocacbon khơng đáng kế nên khơng có giá trị kinh tế sử dụng nguồn hydrocacbon thiên nhiên Trên thềm lục địa phía nam thành phần khí tạp chất (H 2S CO2) khí đồng hành mỏ Bạch Hố, Đại Hùng thấp (0,4 + 4%) thuận lợi cho chế biến sử dụng Các mở dầu khí phát vào khai thác: mỏ Bạch Hố (1986), khu vực khai thác số mỏ Rồng, Đại Hùng (1994) Mỏ Bungakekwa (7-1997), khu vực số mỏ Rồng mỏ Rubi, Rạng Đơng trữ lượng khoảng 30 50 triệu tấn, mỏ khí Lan Tây, Lan Đở trữ lượng khoảng 58 tỷ m3 khí vào khai thác Từ mỏ dầu Bạch Hổ, Rồng Đại Hùng tiến hành thu gom khí đồng hành đưa vào nhà máy chế biến khí Dinh Cố(Bà Rịa - Vũng Tàu) Cơng suất khai thác khí đồng hành tỷ m3 /năm, cơng suất tối đa đạt 1,5 tỷ m /năm Với trừ lượng 45 tỷ m3 tiến hành khai thác 20 năm Tháng 10 - 1998 nhà máy chế biến khí đưa vào hoạt động hàng năm cung cấp 300.000 khí lỏng LPG chứa propan butan, khí khơ chủ yếu metan etan dùng làm nguyên liệu cung cấp cho nhà máy điện Thủ Đức khu cơng nghiệp Biên Hịa Ngồi cịn tách condensât đưa cracking điều chế xăng khí etylen phục vụ cho công nghiệp chế tạo nhựa tống hợp, PVC PE Dự án khí Nam Cơn Sơn cung cấp ngun liệu cho cụm nhà máy điện đạm Phú Mỹ Theo tính tốn đường ống khí Nam Cơn Sơn dài 400 km bảo đảm khả vận chuyển - tỷ m3/năm sở hạ tầng trọng yếu cho phát triến mạnh mẽ ngành công nghiệp khí Việt Nam Hệ thống đường ống bắt đầu từ mỏ Lan Tây Tiếp bờ Long Hải, sau tiếp tục qua trạm xử lý phân phối khí Dinh cố Tại khí vận chuyến đến trạm Phú Mỹ đế tiêu thụ phần hóa lỏng đế xuất khấu từ cảng Phước Hịa Đường ống dẫn khí Nam Cơn Sơn sàn xuất hệ thống khép kín đế vận chuyến khí từ mỏ phát vùng trủng Nam Côn Sơn Lan Tây, Lan Đỏ, Hải Thạch, Rồng Đôi Tại lô 11-2 bao gồm mỏ Rồng Đôi mỏ Rồng Đơi Tây trữ lượng khí tự nhiên khai thác tổng cộng vào khoảng 25 tỷ m3 Khí tự nhiên khí đồng hành Việt Nam sạch, chứa lưu huỳnh (0,02 g/m3) thuận lợi cho việc chế biến, sử dụng, an toàn với thiết bị gây nhiễm mơi trường Với tiềm lớn khí, nước ta có điều kiện phát triến ngành cơng nghiệp dầu khí toàn lãnh thổ Việc khai thác sử dụng tài nguyên thiên nhiên quý giá tương lai công nghiệp dầu khí ngành trọng tâm, đóng vai trò đáng kể vào phát triển đất nước ĨII GĨỚĨ THIÊU VÈ CHẮT HẢP PHU Giới thiêu chung Những chất hấp phụ không xốp điều chế phương pháp kết tủa từ dung dịch cách tán nhỏ, vật rắn thường có bề mặt riêng bé(l-20m /g) ứng dụng chúng bị hạn chế Những chất hấp phụ không xốp có bề mặt lớn(hàng trăm m /g), chúng có độ phân tán cao muội than, muội si lie, điều chế cách đốt cháy không hoàn toàn họp chất hữu Các bột mịn thường dùng làm chất độn vật liệu cao phân tử Đe làm chất hấp phụ, chất sấy khô, chất mang chất xúc tác thông thường người ta sử dụng chất hấp ph xốp có bề mặt lớn Nhừng chất hấp phụ có lỗ xốp bé thường than(than gồ, than xương, than xọ dừa)silicage alumogen, alumosilicagel, silicat tự nhiên, Zeolit aluminosilicat tinh thê có kích thước mao quản(pore) đồng đều, cho phép chúng phân chia( rây phân tủ’ theo hình dáng kích thước xác định Thành phần hóa học zeolit biếu diễn sau: M2 /n.Al20 xSi02.yH2 Trong : M - cation hóa trị n (hay cation bù trừ điện tích khung) X - tỷ lệ sổ mol S1O2/AI2O3 y - số phân tử nước kết tinh zeolit Đơn vị cấu trúc zeolit tứ diện TO4 (T=A1, Si) Có biếu diễn cấu trúc sau a Tứ diện [S1O4]' Hình : Các đơn vị câu trúc zeoỉỉt Sự thay Si4 Al3+ tứ diện S1O4 dẫn đến dư điện tích âm [A104]'.Điện tích âm d cân có mặt cation Mn+ gọi cation bù trừ điện tích khung Người ta thấy khoảng 40 cấu trúc zeolit tụ’ nhiên khác nhau.Trong phát triến vật liệu cá lĩnh vực :hấp thụ,phân tách,hấp phụ, Quá trình xúc tác đem lại khả lớn nhờ phương pháp tống hợp zeolit thực phịn thí nghiệm Hiện có khoảng 200 loại zeolit tống hợp, nhiên lượng nhỏ số sử dụn cơng nghiệp Tính chất zeolit cấu trúc hình thái chúng, tức là: xắp xếp trật tự cá tú' diện, phần thể tích rỗng, tồn mao quản Ngồi tính chất zeolit cịn phụ thuộc vào tỷ lệ Si/A (hoặc S1O2/AI2O3) cation bù (K", Na ) Theo quy luật Lowenstein rằng, cấu trúc zeolit không tồn liên kết dạng Al-Si-Al mà có dạn liên kết Si-O-Si Si-O-Al tỷ lệ Si/Al khung cấu trúc > Khái niêm hấp phu Hấp phụ tích lũy chất bề mặt phân cách pha(khí - rắn; khí - lỏng; lỏng - lỏng), chất có bề mặt trê xảy hấp phụ gọi chất hấp phụ, cịn chất tích lũy bề mặt gọi chất bị hấp phụ Trong số trường họp chất bị hấp phụ xuyên qua lóp bề mặt vào tích chất hấp phụ Hiệ tượng gọi hấp thụ, ngược lại với hấp thụ trình chất bị hấp phụ khỏi bề mặt gọi giải hấ phụ Khi hấp phụ đạt đến trạng thái cân tốc độ hấp phụ tốc độ giải hấp phụ Các tiêu chất hấp phụ zeolit: Chỉ tiêu Zeolit Kích thước hạt, mm 1,6-3,2 Độ xôp bên trong, % 30-55 Tỷ trọng rời, kg/m3 480-800 Đường kính trung bình lơ xơp,nm 0,3-1,0 Bề mặt hấp hoạt động trung bình m2/g 500-800 Dung tích hâp phụ chât hâp phụ chât hâp phụ răn 0,2-0,65 g/g theo nước Nhiệt dung kJ/kg,°C 0,837 Độ dẫn nhiệt kJ/m2 h.°C 0,837 Nhiệt lượng hâp phụ cực đại tính đon vị khơi lượng 4187 chất hấp phụ kJ/kg nước ZeolitA aluminosilicat loại zeolit tống hợp có cấu tạo khác với zeolit tự nhiên, cấu trúc có dạng mạn lưới lập phương đơn giản tương tự kiếu liên kết tinh muối NaCl, với nút mạng lưới bát diện cụ Đối với zeolitA tỷ số Si/Al = nên số nguyên tử Si AI đơn vị sodalit nhau.Vì với mỗ bát diện cụt tạo 24 tú’ diện có 48 nguyên tử o làm cầu nối, dư 12 điện tích âm Đe trung hịa hết cá điện tích âm phải có 12 cation hóa trị I, ví dụ Na cation hóa trị ĩĩ (ví dụ Ca2+) Trong trường hợp zeolit có 12 cation Na+ nên cơng thức chung zeolitA là: Nai2[(A102)i2-(Si02)i2] Cơng thức hồn chỉnh zeolitA là: Na96Al9 SÌ960384.27H2 Trong trình liên kết giừa sodalitA tạo thành hốc lớn hốc nhỏ, hốc lớn coi phần thể tích giới hạn sodalit mạng cịn hốc nhỏ khơng gian rỗng sodalit Hốc lớn zeolitA gọi hoc a Có coi dạng hình cầu có đường kính hốc 11,4A°, đường kính hốc nhỏ (cịn gọi hốc P) khoảng 6,6A hốc lớn zeolitA thông với hốc lớn bên cạnh qua cửa số cạnh (gọi cửa số hốc lớn) có kích thước 4,2A ngồi hốc lớn cịn thơng với hốc nhỏ qua cửa sổ cạnh với kích thước cửa số nhở 2,2A° Thể tích hốc lớn 150(A°)3 cửa sổ hốc nhỏ 77(A0)3 Do thông hốc a p tạo thành cá kênh nối Việc tạo thành kênh làm tăng tích tự zeolit khoảng 50% tống tích chung Do độ xố zeolitA cao nên hấp thụ chất có đường kính phân tử ion nhỏ đường kính cửa số đế hốc zeolit Đây tượng rây phân tử zeolit IV Cơ SỚ HỎA LÝ IV l Khái niêm chung sấy Tách nước (ẩm) khỏi vật liệu rắn hay dung dịch trình kỹ thuật phổ biến quan trọng đối vớ nhiều ngành công nghiệp đặc biệt ngành cơng nghiệp hóa chất thực phẩm Tùy theo yêu cầu mức độ làm khô vật liệu mà người ta tiến hành phương pháp tách ẩm khỏi vật liệu theo cách sau: • - Phương pháp học: Là dùng máy ép, máy lọc, máy ly tâm để tách nước, phương pháp dùng kh không cần tách triệt đế mà cần tách sơ lượng nước khỏi vật liệu • - Phương pháp hóa lý: Là dùng hóa chất có tính hút nước cao đê tách âm khởi vật liệu như: CaCb khan H2SO4 đậm đặc, silycagel phương pháp tách tương đối triệt để ẩm khỏi vật liệu, đắt v phức tạp nên phương pháp chủ yếu đế hút âm hồn hop khí để báo quản máy thiết bị • - Phương pháp nhiệt: Dùng nhiệt làm bốc nước khỏi vật liệu phương pháp sử dụng rộng r công nghiệp đời sống Sấy trình dùng nhiệt đế làm bay nước khỏi vật liệu sấy Q trình tiến hành bay hơ tự nhiên lượng tự nhiên như: lượng mặt trời, lượng gió (gọi trình phơi sấy tự’ nhiên Dùng phương pháp đỡ tốn nhiệt năng, khơng chủ động điều chỉnh tốc độ trình theo yêu cầ kỹ thuật, suất thấp vậy, ngành công nghiệp người ta thường tiến hành trình sấy nhân tạo(dùn lượng người tạo ra) Tùy theo phương pháp truyền nhiệt, kỹ thuật sấy người ta chia ra: a) Sấy đối lưu: Là phương pháp cho tiếp xúc trục tiếp vật liệu sấy với khơng khí nóng, khói lị (gọi tác nhâ sấy) 10 ... tương tự’ PHẦN II: TÍNH TỐN THIÉT KẾ HỆ THỐNG SẤY KHÍ THIÊN NHIÊN BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ sử DỤNG TÁC NHÂN SẤY LÀ ZEOLIT A TỈNH TOÁN THIÉT KỂ THÁP HẮP PHU I Yêu cầu thiết kế: Thành phần nguyên... thúc trình hấp phụ khác ch? ?a chất hấp phụ tái sinh VIT.2 Phân tích, l? ?a chon cỏtiíỉ nshê Trong hai phương pháp sấy khí hấp thị hấp phụ phương pháp hấp phụ la phương pháp l? ?a chọn dùng thiết bị cơng... thường sử dụng hấp thụ chất lỏng hút ẩm, hấp phụ ẩm tác nhân sấy rắn hoạt tính ngưng tụ ẩm nhị'' nén làm lạnh khí I .Phương pháp hấp thu: Phương pháp hấp thụ sử dụng rộng rãi đế sấy khơ khí cơng