Giáo trình Chế biến khí

Thông tin tài liệu

Tài liệu Công nghệ chế biến khí dùng cho kỹ thuật viên, sinh viên và kỹ sư thuộc ngành công nghệ chế biến khí thiên nhiên và khí đồng hành và các ngành có liên quan. Tập sách được soạn làm giáo trình giảng dạy cao đẳng và đại học cho ngành công nghệ chế biến khí. ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NguyÔn thÞ Minh HiÒn C«ng nghÖ ChÕ biÕn khÝ tù nhiªn vμ khÝ ®ång hμnh (T¸i b¶n cã söa ch÷a vµ bæ sung) Nhμ xuÊt b¶n Khoa häc vμ kü thuËt Hμ Néi ✵ 2004 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Lêi Giíi thiÖu Tõ th¸ng 12 n¨m 1998 Nhµ m¸y xö lý khÝ Dinh Cè, nhµ m¸y xö lý khÝ ®Çu tiªn cña n−íc ta ®· chÝnh thøc ®i vµo ho¹t ®éng, cung cÊp LPG phôc vô cho c«ng nghiÖp vµ d©n dông. Çc dù ¸n KhÝ − §iÖn − §¹m sè I ë Vòng Tµu, dù ¸n KhÝ − §iÖn − §¹m sè II ë Cµ Mau ®· vµ ®ang triÓn khai thùc hiÖn, nh»m sö dông cã hiÖu qu¶ nguån nguyªn liÖu khÝ thiªn nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh cña ®Êt n−íc. Tr−íc sù ph¸t triÓn cña ngµnh c«ng nghiÖp dÇu khÝ nãi chung vµ cña ngµnh c«ng nghiÖp chÕ biÕn khÝ nãi riªng, nhu cÇu ®µo t¹o kü s− vµ kü thuËt viªn hµng n¨m ngµy cµng t¨ng. Cuèn “ C«ng nghÖ chÕ biÕn khÝ thiªn nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh ” ®−îc biªn so¹n nh»m môc ®Ých giíi thiÖu cho çc kü s−, kü thuËt viªn vµ sinh viªn chuyªn ngµnh C«ng nghÖ Ho¸ dÇu vµ khÝ nh÷ng kiÕn thøc c¬ b¶n vÒ çc ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n hçn hîp çc hydrocacbon tõ C1 ®Õn C 10 , H 2 O, CO 2 , H 2 S, ... çc cÊu tö chÝnh trong thµnh phÇn khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh, phôc vô cho viÖc tÝnh to¸n thiÕt kÕ çc qu¸ tr×nh c«ng nghÖ xö lý khÝ. §ång thêi cuèn s¸ch còng ®Ò cËp ®Õn mét sè qu¸ tr×nh c«ng nghÖ chuyÓn ho¸ khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh thµnh çc hîp chÊt chñ yÕu sö dông lµm nguyªn liÖu cho c«ng nghÖ tæng hîp h÷u c¬ - ho¸ dÇu. Cuèn s¸ch ®−îc chia lµm ba phÇn: PhÇn I: Thµnh phÇn vµ tÝnh chÊt cña khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh. Trong phÇn nµy giíi thiÖu thµnh phÇn, tÝnh chÊt vµ ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n çc ®¹i l−îng nhiÖt ®éng cña hçn hîp khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh. Trong mçi ch−¬ng ®Òu cã çc bµi to¸n vÝ dô ¸p dông lµm s¸ng tá lý thuyÕt, cñng cè çc kiÕn thøc c¬ b¶n. T¸c gi¶ còng ®· ®−a vµo trong phÇn nµy çc ®å thÞ thùc nghiÖm rÊt cÇn thiÕt cho viÖc tÝnh to¸n thiÕt kÕ c«ng nghÖ. PhÇn II: Çc qu¸ tr×nh c«ng nghÖ c¬ b¶n chÕ biÕn khÝ, bao gåm çc c«ng nghÖ lµm s¹ch khÝ khái çc t¹p chÊt (t¸ch bôi, lµm ngät khÝ, sÊy khÝ) vµ çc qu¸ tr×nh c«ng nghÖ chÕ biÕn hiÖn ®ang ®−îc sö dông phæ biÕn. §ã lµ http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 3 çc qu¸ tr×nh c«ng nghÖ ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp, hÊp thô nhiÖt ®é thÊp vµ ch−ng cÊt nhiÖt ®é thÊp. Tuú theo thµnh phÇn hçn hîp khÝ ®−a vµo chÕ biÕn vµ yªu cÇu møc ®é t¸ch çc cÊu tö ®Þnh tr−íc mµ lùa chän gi¶i ph¸p c«ng nghÖ thÝch hîp. LÇn t¸i b¶n nµy cã bæ sung c«ng nghÖ cña Nhµ m¸y xö lý khÝ Dinh Cè (Bµ RÞa − Vòng Tµu). PhÇn III: ChuyÓn ho¸ khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh, bao gåm çc qu¸ tr×nh c«ng nghÖ c¬ b¶n chuyÓn ho¸ khÝ thµnh khÝ tæng hîp, metanol, amoniac, axetylen..., lµ nh÷ng nguyªn liÖu quan träng cho tæng hîp h÷u c¬ ho¸ dÇu. MÆc dï t¸c gi¶ ®· dµnh nhiÒu nç lùc nh−ng do biªn so¹n lÇn ®Çu, nªn ch¾c kh«ng tr¸nh khái cßn thiÕu sãt. RÊt mong çc b¹n ®ång nghiÖp vµ b¹n ®äc gãp ý bæ sung ®Ó cuèn s¸ch ®−îc hoµn thiÖn h¬n trong çc lÇn t¸i b¶n sau. GS. TS. §μo V¨n T−êng 4 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Môc lôc Lêi giíi thiÖu 3 Çc ký hiÖu dïng trong s¸ch 9 PhÇn I Thμnh phÇn vμ tÝnh chÊt cña khÝ tù nhiªn vμ khÝ ®ång hμnh 11 Ch−¬ng I Giíi thiÖu vÒ khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh 13 I.1. Thµnh phÇn vµ çc ®Æc tÝnh cña khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh I.2. ChÕ biÕn vµ sö dông khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh trªn thÕ giíi I.3. ChÕ biÕn vµ sö dông khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh ë ViÖt Nam Ch−¬ng II Çc tÝnh chÊt cña khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh II.1. II.2. II.3. II.4. II.5. Ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cña çc hydrocacbon Gi¶n ®å pha hÖ mét cÊu tö Gi¶n ®å pha hÖ nhiÒu mét cÊu tö C©n b»ng pha láng − h¬i Ph−¬ng ph¸p gi¶i tÝch x¸c ®Þnh h»ng sè c©n b»ng pha cña hçn hîp çc hydrocacbon II.6. Ph−¬ng ph¸p gi¶n ®å x¸c ®Þnh h»ng sè c©n b»ng pha cña hçn hîp çc hydrocacbon II.7. øng dông cña h»ng sè c©n b»ng pha Ch−¬ng III Çc th«ng sè nhiÖt ®éng cña çc hydrocacbon riªng biÖt vµ hçn hîp cña chóng III.1. NhiÖt ®é s«i vµ ¸p suÊt h¬i b o hoµ http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 13 15 17 19 19 21 24 27 31 40 51 55 55 5 III.2. Çc ®¹i l−îng tíi h¹n 58 III.3. Th«ng sè acentric ω 72 III.4. Çc tÝnh chÊt cña hydrocacbon ë tr¹ng th¸i láng 73 Ch−¬ng IV TÝnh chÊt cña hÖ hydrocacbon vµ n−íc 77 IV.1. Hµm Èm cña khÝ 77 IV.2. Çc ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh hµm Èm cña khÝ 77 IV.3. ¶nh h−ëng cña nit¬ vµ çc hydrocacbon nÆng ®Õn hµm Èm cña khÝ 92 IV.4. Hµm Èm c©n b»ng cña çc hydrat 93 IV.5. Sù t¹o thµnh hydrat 94 IV.6. Dù ®o¸n kh¶ n¨ng t¹o thµnh hydrat 97 PhÇn II Çc qu¸ tr×nh c«ng nghÖ c¬ b¶n chÕ biÕn khÝ 111 Ch−¬ng V ChuÈn bÞ khÝ ®Ó chÕ biÕn V.1. Lµm s¹ch khÝ khái çc t¹p chÊt c¬ häc 113 113 V.2. Çc ph−¬ng ph¸p h¹n chÕ sù t¹o thµnh hydrat trong qu¸ tr×nh chÕ biÕn khÝ 116 V.3. Lµm s¹ch khÝ khái H 2 S vµ CO 2 (lµm ngät khÝ) 127 Ch−¬ng VI ChÕ biÕn khÝ b»ng ph−¬ng ph¸p ng−ng tô 131 VI.1. S¬ ®å ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp cã chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi 132 VI.2. S¬ ®å ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp cã chu tr×nh lµm l¹nh trong 143 VI.3. S¬ ®å ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp cã chu tr×nh lµm l¹nh tæ hîp 147 6 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Ch−¬ng VII ChÕ biÕn khÝ b»ng ph−¬ng ph¸p hÊp thô VII.1. S¬ ®å nguyªn lý c«ng nghÖ chÕ biÕn khÝ b»ng ph−¬ng ph¸p hÊp thô 155 155 VII.2. Çc th«ng sè c«ng nghÖ cña qu¸ tr×nh chÕ biÕn khÝ b»ng ph−¬ng ph¸p hÊp thô nhiÖt ®é thÊp 159 VII.3. Çc ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n tÝnh to¸n qu¸ tr×nh hÊp thô 162 VII.4. Çc s¬ ®å c«ng nghÖ hÊp thô nhiÖt ®é thÊp hiÖn ®¹i 166 Ch−¬ng VIII ChÕ biÕn khÝ b»ng ph−¬ng ph¸p ch−ng cÊt 176 Ch−¬ng IX Ph¹m vi øng dông cña çc qu¸ tr×nh chÕ biÕn khÝ 181 PhÇn III ChuyÓn ho¸ khÝ tù nhiªn vμ khÝ ®ång hμnh 185 Ch−¬ng X Oxy ho¸ ghÐp ®«i metan 187 X.1. Xóc t¸c vµ c¬ chÕ qu¸ tr×nh oxy ho¸ ghÐp ®«i metan 187 X.2. Çc thiÕt bÞ ph¶n øng nghiªn cøu qu¸ tr×nh oxy ho¸ ghÐp ®«i metan 192 Ch−¬ng XI Çc c«ng nghÖ chuyÓn ho¸ metan thµnh khÝ tæng hîp 194 XI.1. C¬ chÕ qu¸ tr×nh 194 XI.2. Çc qu¸ tr×nh c«ng nghÖ c¬ b¶n 195 XI.3. Çc qu¸ tr×nh c«ng nghÖ ph¸t triÓn 202 XI.4. So s¸nh vÒ n¨ng l−îng vµ gi¸ c¶ 204 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 7 Ch−¬ng XII C«ng nghÖ tæng hîp metanol 206 XII.1. C«ng nghÖ tæng hîp metanol trùc tiÕp tõ metan 206 XII.2. C«ng nghÖ s¶n xuÊt metanol tõ khÝ tæng hîp 209 Ch−¬ng XIII C«ng nghÖ tæng hîp amoniac 223 XIII.1. C¬ së ho¸ lý cña qu¸ tr×nh tæng hîp amoniac 223 XIII.2. C«ng nghÖ tæng hîp amoniac 227 Ch−¬ng XIV C«ng nghÖ tæng hîp axetylen 233 XIV.1. C¬ së ho¸ lý cña qu¸ tr×nh ph©n huû hydrocacbon ®Ó s¶n xuÊt axetylen 233 XIV.2. C«ng nghÖ s¶n xuÊt axetylen Phô lôc 257 Phô lôc 1. H»ng sè c©n b»ng pha K 259 Phô lôc 2. Çc hÖ ®¬n vÞ ®o vµ quan hÖ gi÷a chóng 263 Tμi liÖu tham kh¶o 8 242 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 288 Çc ký hiÖu dïng trong s¸ch ω ρ ε ϕi γi HÖ sè ho¹t ®é cña cÊu tö i ai Ho¹t ®é cña cÊu tö i C≥3 Çc hydrocacbon parafin tõ propan trë lªn fi Fugat cña cÊu tö i Thõa sè acentric Tû träng HÖ sè hiÖu chØnh ®èi víi khÝ chua HÖ sè fugat cña cÊu tö i fi K Fugat cña cÊu tö i ë tr¹ng th¸i khÝ fi L Fugat cña cÊu tö i ë tr¹ng th¸i láng fi o Fugat cña cÊu tö i tinh khiÕt fw Fugat cña h¬i n−íc gi Khèi l−îng cña cÊu tö i k H»ng sè tèc ®é cña ph¶n øng KP H»ng sè c©n b»ng cña ph¶n øng Ki H»ng sè c©n b»ng pha cña cÊu tö i K r-k H»ng sè c©n b»ng r¾n - khÝ Mi Khèi l−îng ph©n tö cña cÊu tö i ni Sè mol cÊu tö i P ¸p suÊt, MPa (hÖ SI), psi (hÖ Anh) P * ¸p suÊt h¬i cña hçn hîp ë nhiÖt ®é T = 0,7T c Pc ¸p suÊt tíi h¹n Pc’ ¸p suÊt gi¶ tíi h¹n (cña hçn hîp) P ci ¸p suÊt tíi h¹n cña cÊu tö i P qt ¸p suÊt quy tô Pr ¸p suÊt rót gän Pr’ ¸p suÊt gi¶ rót gän (cña hçn hîp) Q HiÖu øng nhiÖt, kJ/mol http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 9 t NhiÖt ®é, o C (hÖ SI), o F (hÖ Anh) T NhiÖt ®é tuyÖt ®èi, K Tc NhiÖt ®é tíi h¹n Tc’ NhiÖt ®é gi¶ tíi h¹n (cña hçn hîp) T ci NhiÖt ®é tíi h¹n cña cÊu tö i Tr NhiÖt ®é rót gän Tr’ NhiÖt ®é gi¶ rót gän (cña hçn hîp) vi Nång ®é phÇn thÓ tÝch cña cÊu tö i Vc ThÓ tÝch tíi h¹n Vc’ ThÓ tÝch gi¶ tíi h¹n (cña hçn hîp) V ci ThÓ tÝch tíi h¹n cña cÊu tö i Vi ThÓ tÝch cña cÊu tö i Vr ThÓ tÝch rót gän Vr’ ThÓ tÝch gi¶ rót gän (cña hçn hîp) W Hµm Èm cña hçn hîp khÝ chua W1 Hµm Èm cña CO 2 W2 Hµm Èm cña H 2 S W hc Hµm Èm cña hçn hîp çc hydrocacbon (khÝ ngät) xi Nång ®é phÇn mol cña cÊu tö i xi’ Nång ®é phÇn khèi l−îng cña cÊu tö i xw PhÇn mol cña n−íc trong pha láng yw PhÇn mol cña n−íc trong pha h¬i z HÖ sè chÞu nÐn Çc ch÷ viÕt t¾t LPG (Liquefied Petroleum Gas) KhÝ ®ång hµnh ho¸ láng LNG (Liquefied Natural Gas) KhÝ tù nhiªn ho¸ láng CNG (Compressed Natural Gas) KhÝ tù nhiªn nÐn 10 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn phÇn I Thμnh phÇn vμ tÝnh chÊt cña khÝ tù nhiªn vμ khÝ ®ång hμnh http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 11 12 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Ch−¬ng I Giíi thiÖu vÒ khÝ tù nhiªn vμ khÝ ®ång hμnh I.1. Thμnh phÇn vμ çc ®Æc tÝnh cña khÝ tù nhiªn vμ khÝ ®ång hμnh Nh÷ng cÊu tö c¬ b¶n cña khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh lµ: metan, etan, propan, butan (normal vµ izo). KhÝ tù nhiªn ®−îc khai th¸c tõ çc má khÝ, cßn khÝ ®ång hµnh ®−îc khai th¸c tõ çc má dÇu ®ång thêi víi qu¸ tr×nh khai th¸c dÇu má. Trong khÝ tù nhiªn thµnh phÇn chñ yÕu lµ metan (chiÕm ®Õn 98% theo thÓ tÝch). Çc má khÝ tù nhiªn lµ çc tói khÝ n»m s©u d−íi mÆt ®Êt. KhÝ ®ång hµnh nhËn ®−îc tõ çc má dÇu cïng víi qu¸ tr×nh khai th¸c dÇu má. Trong thµnh phÇn cña khÝ ®ång hµnh ngoµi cÊu tö chÝnh lµ metan cßn cã etan, propan, butan vµ çc hydrocacbon nÆng víi hµm l−îng ®¸ng kÓ. Thµnh phÇn nh÷ng cÊu tö c¬ b¶n trong khÝ thay ®æi trong mét ph¹m vi kh¸ réng tuú theo má dÇu khai th¸c. Ngoµi ra trong thµnh phÇn khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh cßn cã H2 O, H 2 S cïng çc hîp chÊt chøa l−u huúnh, CO 2 , N 2 vµ heli. Ng−êi ta cßn ph©n lo¹i khÝ theo hµm l−îng hydrocacbon tõ propan trë lªn. KhÝ giµu propan, butan vµ çc hydrocacbon nÆng (trªn 150 g/m 3 ) ®−îc gäi lµ khÝ bÐo (hoÆc khÝ dÇu). Tõ khÝ nµy ng−êi ta chÕ ®−îc x¨ng khÝ, khÝ ho¸ láng (LPG) vµ çc hydrocacbon cho c«ng nghÖ tæng hîp h÷u c¬. Cßn khÝ chøa Ýt hydrocacbon nÆng (tõ propan trë lªn, d−íi møc 50 g/m 3 ) gäi lµ khÝ kh« (hoÆc khÝ gÇy), ®−îc sö dông lµm nhiªn liÖu cho c«ng nghiÖp vµ ®êi sèng, lµm nguyªn liÖu cho c«ng nghÖ tæng hîp h÷u c¬, nguyªn liÖu cho s¶n xuÊt ph©n ®¹m, s¶n xuÊt etylen, axetylen, etanol ... Tr÷ l−îng khÝ cã thÓ ph¸t hiÖn −íc tÝnh vµo kho¶ng 1.300 tû m 3 khÝ. Tr÷ l−îng nµy ph©n bè trªn toµn l nh thæ nh−ng chñ yÕu lµ ë çc bÓ Nam C«n S¬n, S«ng Hång, Malay - Thæ Chu. Trong çc b¶ng I.1, I.2, I.3 d−íi ®©y cho thµnh phÇn khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh khai th¸c ®−îc ë mét sè má cña ViÖt Nam. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 13 B¶ng I.1. Thµnh phÇn khÝ ë bÓ Cöu Long (% theo thÓ tÝch) Má Thμnh phÇn Metan C 1 Etan C 2 Propan C 3 Butan C 4 Condensat C 5 + N2 CO 2 H2S B¹ch Hæ (l« 09) Rång (l« 09) §ång hμnh R¹ng §«ng (l« 09) Ruby (l« 01) KhÝ tù do 76,82 11,87 5,98 1,04 0,32 0,50 1,00 84,77 7,22 3,46 1,70 1,30 − − 76,54 6,89 8,25 0,78 0,50 − − 77,62 10,04 5,94 2,83 0,97 0,33 0,42 78.02 10,67 6,70 1,74 0,38 0,60 0,07 − − − − − B¶ng I.2. Thµnh phÇn khÝ ë bÓ Nam C«n S¬n (% theo thÓ tÝch) Má §¹i Hïng (05-1a) Thμnh phÇn Metan C 1 Etan C 2 Propan C 3 Butan C 4 Condensat C 5 + N2 CO 2 H2S Lan T©y (06-1) Lan §á (06-1) 88,5 4,3 2,4 0,6 1,4 0,3 1,9 10,0 93,9 2,3 0,5 0,1 0,2 1,6 1,2 Ch−a ®o 77,25 9,49 3,38 1,34 0,48 4,50 − − Rång §«i H¶i Th¹ch Méc Tinh (11-2) (05-2) (05-3) 81,41 5,25 3,06 1,47 0,55 0,08 5,64 0,00 89,44 3,80 1,48 0,71 0,54 0,15 3.88 − 81,00 5,20 2,8 1,50 4,70 0,11 4,40 − B¶ng I.3. Thµnh phÇn khÝ ë bÓ Malay − Thæ Chu (% theo thÓ tÝch) Thμnh phÇn PM3 UNOCAL L« T©y Nam Metan C 1 77,91 89,65 89,42 Etan C 2 6,86 2,74 4,26 Propan C 3 4,09 0,40 2,38 Butan C 4 1,98 0,17 1,12 Condensat C 5 + 0,42 0,05 0,32 N2 0,80 2,14 0,34 CO 2 7,86 4,38 1,88 H2S − − 24 ppm 14 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Hµm l−îng CO 2 ë bÓ S«ng Hång cao 75 ÷ 85%. Hµm l−îng H2 S, CO2 rÊt nhá trong khÝ ®ång hµnh má B¹ch Hæ, Rång, §¹i Hïng... lµ rÊt thuËn lîi cho chÕ biÕn vµ sö dông, an toµn thiÕt bÞ vµ kh«ng g©y « nhiÔm m«i tr−êng. I.2. ChÕ biÕn sö dông khÝ tù nhiªn vμ khÝ ®ång hμnh trªn thÕ giíi KhÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh ®−îc khai th¸c tõ trong lßng ®Êt lµ hçn hîp çc hydrocacbon cña d y metan gåm cã: metan, etan, propan, butan... Ngoµi ra trong thµnh phÇn cña khÝ cßn cã: He, N2 , CO 2 , H 2 S... Sè l−îng vµ hµm l−îng çc cÊu tö thay ®æi trong nh÷ng kho¶ng réng. Metan lµ thµnh phÇn chÝnh trong khÝ tù nhiªn, ®−îc sö dông chñ yÕu lµm nhiªn liÖu cho lß nung vµ nåi h¬i. Etan, propan, butan vµ hydrocacbon nÆng dïng chñ yÕu cho c«ng nghiÖp tæng hîp h÷u c¬. V× vËy ë CHLB Nga vµ çc n−íc c«ng nghiÖp ph¸t triÓn, viÖc sö dông hîp lý çc hydrocacbon cã ý nghÜa rÊt to lín. KhÝ ®ång hµnh vµ khÝ tù nhiªn lµ nguån chÝnh cung cÊp çc nguyªn liÖu quan träng cho c«ng nghiÖp ho¸ häc vµ ho¸ dÇu, vÝ dô etan. ë Mü tõ etan ® chÕ biÕn 40% etylen phôc vô cho s¶n xuÊt nhùa tæng hîp, oxit etylen, chÊt ho¹t ®éng bÒ mÆt, nhiÒu s¶n phÈm vµ b¸n s¶n phÈm ho¸ häc kh¸c (hiÖn nay ng−êi ta ®¸nh gi¸ møc ®é ph¸t triÓn c«ng nghiÖp tæng hîp h÷u c¬ theo tæng s¶n l−îng vµ nhu cÇu etylen). ë Mü do sö dông etylen víi hiÖu qu¶ cao vµo cuèi nh÷ng n¨m 60 cña thÕ kû tr−íc nªn s¶n xuÊt etan ® t¨ng 24 ÷ 31%. ë Mü vµ Cana®a, ®Ó vËn chuyÓn etan ng−êi ta ® x©y dùng nh÷ng hÖ thèng ®−êng èng dÉn khæng lå. VÝ dô n¨m 1977 ® hoµn thµnh viÖc x©y dùng ®−êng èng dµi gÇn 3 ngµn kil«met ®Ó vËn chuyÓn etan, etylen, propan vµ butan tõ miÒn T©y sang miÒn §«ng Cana®a vµ sang c¶ Mü (c«ng suÊt cña ®−êng èng lµ 2,2 ... 2,4 triÖu tÊn/n¨m, ¸p suÊt lµm viÖc 10 MPa). ë çc n−íc T©y ¢u, sau khi t×m ra çc má khÝ tù nhiªn lín ® t¨ng c−êng sù quan t©m ®Õn çc nguyªn liÖu nhiÖt ph©n nhÑ, bëi v× sö dông etan trong c«ng nghiÖp ho¸ häc vµ c«ng nghiÖp ho¸ dÇu hiÖu qu¶ vµ cã ®−îc sù c©n b»ng gi÷a s¶n xuÊt vµ nhu cÇu etylen. MÆt kh¸c butadien vµ çc s¶n phÈm phô kh¸c cña qu¸ tr×nh nhiÖt ph©n benzin còng lµ çc nguyªn liÖu rÊt cÇn thiÕt. ViÖc sö dông etan cho phÐp gi¶m ®Çu t− vµo s¶n xuÊt etylen, rót ng¾n thêi h¹n x©y dùng çc d©y chuyÒn c«ng nghÖ ho¸ häc vµ ho¸ dÇu khÐp kÝn (etylen - polyetylen, etylen - r−îu etylic, ...), bëi v× khi nhiÖt ph©n etan cho hiÖu suÊt s¶n phÈm phô tèi thiÓu (hiÖu suÊt etylen tõ etan lµ 70%, tõ benzin http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 15 lµ 27%, tõ gazoil lµ 15%). Thùc tÕ nhiÒu n−íc trªn thÕ giíi ® cho thÊy r»ng, víi tr÷ l−îng dÇu vµ khÝ tù nhiªn lín, cã thÓ tæ chøc s¶n xuÊt ë quy m« lín cã lîi nhuËn cao çc s¶n phÈm etan, khÝ ho¸ láng (LPG, LNG), çc hydrocacbon kh¸c, vµ nhiªn liÖu cho ®éng c¬. Do hiÖu qu¶ cao cña nhiªn liÖu khÝ vµ sù quan t©m ngµy cµng t¨ng ®Õn çc s¶n phÈm cña nã trªn thÞ tr−êng thÕ giíi, nhiÒu n−íc khai th¸c dÇu khÝ ® x©y dùng, më réng vµ trang bÞ l¹i çc nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y çc n−íc Trung §«ng (Iran , ¶rËp Xªut, Baren, ...) dù ®Þnh hoµn thµnh ch−¬ng tr×nh vÒ khai th¸c, chÕ biÕn vµ vËn chuyÓn khÝ ®ång hµnh víi tæng gi¸ trÞ kho¶ng 33 tØ USD. Ng−êi ta cho r»ng ®iÒu ®ã cho phÐp xuÊt khÈu kho¶ng 46 triÖu tÊn LPG mçi n¨m. Mét trong nh÷ng vÊn ®Ò cña ch−¬ng tr×nh lµ x©y dùng nh÷ng nhµ m¸y cã c«ng suÊt lín s¶n xuÊt etylen, polyetylen, styren, vµ çc s¶n phÈm ho¸ dÇu kh¸c. ¶rËp Xªut dù ®Þnh sÏ ®¹t 8% tæng s¶n l−îng thÕ giíi vÒ nh÷ng s¶n phÈm ®ã. Trong n¨m 1978, ë çc n−íc t− b¶n (trõ Mü) ® ®Çu t− 3,2 tØ ®« la ®Ó x©y dùng nh÷ng nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ, chiÕm kho¶ng 50% tæng sè ®Çu t− cho c«ng nghiÖp chÕ biÕn dÇu. KhÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh kh«ng chØ lµ nhiªn liÖu vµ nguyªn liÖu ®Ó s¶n xuÊt etan, propan, vµ çc hîp chÊt kh¸c. Khi lµm s¹ch vµ chÕ biÕn khÝ ng−êi ta cßn nhËn ®−îc mét l−îng lín l−u huúnh, heli vµ mét sè s¶n phÈm v« c¬ kh¸c cho nhiÒu ngµnh kinh tÕ quèc d©n. Cana®a lµ n−íc ®øng thø hai trong sè çc n−íc ph¸t triÓn vÒ s¶n xuÊt çc hîp chÊt chøa l−u huúnh tõ c«ng nghiÖp chÕ biÕn khÝ tù nhiªn. Mü ®øng ®Çu vÒ s¶n xuÊt heli, mét trong nh÷ng s¶n phÈm quan träng nhÊt trong c«ng nghÖ nghiªn cøu vò trô, nghiªn cøu khÝ quyÓn, kü thuËt th©m l¹nh, s¾c ký, ... ë Mü cã 12 nhµ m¸y s¶n xuÊt heli víi tæng s¶n l−îng 135 m 3 /n¨m. Nhu cÇu vÒ heli n¨m 1980 lµ 35 triÖu m3 , ®Õn n¨m 1999 lµ 60 triÖu m3 . Theo ch−¬ng tr×nh quèc gia dµi h¹n, toµn bé sè heli d− thõa tõ çc nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ ®−îc b¶o qu¶n d−íi lßng ®Êt cho ®Õn khi tr÷ l−îng heli tõ khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh ® c¹n sÏ ®−îc mang ra sö dông, bëi v× t¸ch heli tõ kh«ng khÝ cã chi phÝ cao h¬n rÊt nhiÒu. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, ë nhiÒu n−íc cã xu h−íng t¨ng c«ng suÊt çc nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ. T¹i çc nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ míi x©y dùng, ng−êi ta ® l¾p ®Æt çc thiÕt bÞ míi thùc hiÖn ®ång thêi mét vµi qu¸ tr×nh c«ng nghÖ chÕ biÕn khÝ. Cã nh÷ng nhµ m¸y t¹i ®ã çc qu¸ tr×nh c«ng nghÖ c¬ b¶n ®−îc 16 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn thùc hiÖn trong mét bloc. ë Mü vµ Cana®a ® cã d©y chuyÒn c«ng nghÖ víi c«ng suÊt 4 tû m 3 /n¨m, nhê ®ã gi¶m vèn ®Çu t−, gi¶m nh©n c«ng phôc vô vµ t¨ng ®é tin cËy cña çc nguyªn c«ng trong nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ. T¨ng c«ng suÊt çc nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ ® t¨ng nhÞp ®é ph¸t triÓn cña c«ng nghiÖp chÕ biÕn khÝ. §iÒu ®ã cßn phô thuéc rÊt nhiÒu yÕu tè nh−: c«ng nghÖ chÕ t¹o thiÕt bÞ, vÊn ®Ò khai th¸c vµ vËn chuyÓn khÝ, sö dông nguyªn liÖu vµ s¶n phÈm. §ã lµ nh÷ng vÊn ®Ò rÊt phøc t¹p, ®Ó gi¶i quyÕt cÇn ph¶i xuÊt ph¸t tõ ®iÒu kiÖn sö dông hîp lý nguån tµi nguyªn khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh cña tõng n−íc. I.3. ChÕ biÕn vμ sö dông khÝ tù nhiªn vμ khÝ ®ång Hμnh ë ViÖt nam Cho ®Õn nay ViÖt Nam ®ang khai th¸c 6 má dÇu vµ 1 má khÝ, h×nh thµnh 4 côm khai th¸c dÇu khÝ quan träng: • Côm má thø nhÊt n»m ë vïng ®ång b»ng B¾c Bé, gåm nhiÒu má khÝ nhá, trong ®ã cã TiÒn H¶i − “C”, tr÷ l−îng kho¶ng 250 tû m3 khÝ, ® b¾t ®Çu khai th¸c tõ th¸ng 12 n¨m 1981 víi trªn 450 triÖu mÐt khèi khÝ phôc vô c«ng nghiÖp ®i¹ ph−¬ng. Víi çc ph¸t hiÖn míi trong khu vùc nµy, ®©y lµ c¬ së nguyªn liÖu cho c«ng nghiÖp khÝ ë çc tØnh phÝa B¾c. • Côm má thø hai thuéc vïng biÓn Cöu Long, gåm chuçi 4 má dÇu: B¹ch Hæ, Rång, R¹ng §«ng, Ru Bi, lµ côm quan trong nhÊt hiÖn nay, cung cÊp trªn 96% s¶n l−îng dÇu toµn quèc. HiÖn nay ë má B¹ch Hæ vµ má Rång ® cã 21 giµn khai th¸c lín nhá ®ang ho¹t ®éng víi h¬n 100 giÕng khoan khai th¸c vµ b¬m Ðp. KhÝ ®ång hµnh tõ ®ã ®−îc thu gom vµ ®−a vµo bê b»ng ®−êng èng dÉn dµi 110 km. − Th¸ng 4 n¨m 1995 cung cÊp 1 triÖu m3 khÝ / ngµy cho nhµ m¸y ®iÖn Bµ RÞa. − N¨m 1997 t¨ng lªn 2 triÖu, råi 3 triÖu m3 khÝ / ngµy cung cÊp cho nhµ m¸y ®iÖn Phó Mü 2.1 vµ Phó Mü 2.1 më réng. − Th¸ng 10 n¨m 1998 nhµ m¸y xö lý khÝ Dinh Cè ®¹t møc thiÕt kÕ 4,2 triÖu 3 m khÝ / ngµy. − Th¸ng 12 n¨m 1998 b¾t ®Çu s¶n xuÊt LPG. HiÖn nay mçi ngµy nhµ m¸y Dinh Cè gom, nÐn, xö lý khÝ ®¹t møc 4,6 ... 4,7 triÖu m3 / ngµy (kho¶ng 1,5 tû m3 / n¨m) ®Ó s¶n xuÊt 800 tÊn LPG, 350 tÊn condensat. §ång thêi ë khu vùc nµy còng ® vµ ®ang nghiªn cøu t¨ng c«ng suÊt chung cña hÖ thèng lªn trªn 2 tû m3 / n¨m. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 17 • Côm má thø ba ë vïng biÓn Nam C«n S¬n gåm má dÇu §¹i Hïng ®ang khai th¸c vµ çc má khÝ ® ph¸t hiÖn ë khu vùc xung quanh lµ Lan T©y, Lan §á, H¶i Th¹ch, Méc Tinh vµ má dÇu khÝ Rång §«i T©y... ®ang chuÈn bÞ ®−a vµo khai th¸c. Riªng má khÝ Lan T©y - Lan §á víi tr÷ l−îng x¸c minh lµ 58 tû m3 sÏ cung cÊp æn ®Þnh l©u dµi ë møc 2,7 tû m3 khÝ / n¨m. Trong vµi n¨m tíi ®©y khu vùc nµy sÏ lµ côm khai th¸c vµ cung cÊp khÝ lín nhÊt ViÖt Nam, ®¶m b¶o cung cÊp 5 ®Õn 6 tû m3 / n¨m. Theo dù kiÕn cña PetroVietnam, trong kho¶ng thêi gian tõ 2003 ®Õn 2010, côm má dÇu khÝ ë vïng biÓn Cöu Long vµ Nam C«n S¬n cã thÓ cung cÊp 6 ®Õn 8 tû m3 khÝ / n¨m sÏ lµ c¬ së nguyªn liÖu cho côm c«ng nghiÖp dÇu khÝ ë Bµ RÞa − Phó Mü vµ Dung QuÊt. • Côm má thø t− t¹i thÒm lôc ®Þa T©y Nam bao gåm má Bunga Kekwa − Çi N−íc ®ang khai th¸c dÇu, má Bunga Orkid, Bunga Parkma, Bunga Raya t¹i khu vùc tho¶ thuËn th−¬ng m¹i ViÖt Nam - Malaysia sÏ lµ khu khai th¸c vµ cung cÊp khÝ lín thø hai vµ sÏ lµ c¬ së ®¶m b¶o sù ph¸t triÓn khu c«ng nghiÖp dÇu khÝ ë Cµ Mau - CÇn Th¬. − L« PM-3-CAA ® b¾t ®Çu khai th¸c dÇu tõ th¸ng 8-1997. KÕ ho¹ch ph¸t triÓn khÝ vµ çc ®iÒu kiÖn th−¬ng m¹i ® tho¶ thuËn cho phÐp hy väng viÖc khai th¸c khÝ sÏ cã thÓ b¾t ®Çu tõ cuèi 2003 víi s¶n l−îng kho¶ng 2,5 tû m 3 / n¨m cho hai phÝa trong thêi gian Ýt nhÊt 15 ®Õn 17 n¨m, thËm chÝ cã thÓ 25 ®Õn 30 n¨m. V× ngoµi phÇn tr÷ l−îng ® x¸c minh lµ 47 tû m3 cßn cã phÇn tiÒm n¨ng (kho¶ng 60 tû m 3 ) cã thÓ ®−îc x¸c minh trong nh÷ng n¨m tíi. − Çc l« 46, 50, 51 liÒn kÒ ® khoan 11 giÕng th¨m dß, trong ®ã cã 8 giÕng ph¸t hiÖn dÇu, ®Æc biÖt lµ khÝ. NÕu cã çc gi¶i ph¸p thÝch hîp, gi¶i quyÕt çc khã kh¨n (má nhá, nhiÒu CO 2 , ...) l« 46 víi tr÷ l−îng 15 ... 20 tû m 3 cã thÓ cung cÊp kho¶ng 1 tû m3 / n¨m. − L« B + 48/95 + 52/97 ® giao thÇu cho UNOCAL ®−îc ®¸nh gi¸ cã thÓ cã tíi 160 tû m 3 , hy väng ®¶m b¶o cung cÊp dµi h¹n 2 ... 5 tû m 3 / n¨m. Nãi chung khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh cña ViÖt Nam chøa rÊt Ýt H2 S (0,02 g /m 3 ) nªn lµ lo¹i khÝ s¹ch, rÊt thuËn lîi cho chÕ biÕn, sö dông an toµn víi thiÕt bÞ vµ kh«ng g©y « nhiÔm m«i tr−êng. Víi tiÒm n¨ng vÒ khÝ kh¸ phong phó nh− vËy, n−íc ta cã ®iÒu kiÖn ph¸t triÓn c«ng nghiÖp dÇu khÝ trªn toµn l nh thæ. Khai th¸c vµ sö dông hîp lý nguån tµi nguyªn thiªn nhiªn quý gi¸ nµy, trong t−¬ng lai ngµnh c«ng nghiÖp dÇu khÝ sÏ lµ mét ngµnh c«ng nghiÖp ph¸t triÓn m¹nh, ®ãng gãp ®¸ng kÓ vµo sù ph¸t triÓn cña ®Êt n−íc. 18 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Ch−¬ng II Çc tÝnh chÊt cña khÝ tù nhiªn vμ khÝ ®ång hμnh II.1. Ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cña çc hydrocacbon Çc tÝnh chÊt vËt lý cña khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh phô thuéc vµo çc th«ng sè cña hçn hîp vµ thµnh phÇn ho¸ häc cña nã. Thµnh phÇn cña hÖ nhiÒu cÊu tö cã thÓ biÓu diÔn b»ng nång ®é theo khèi l−îng (x’ i ), theo mol (x i ), hoÆc theo thÓ tÝch (v i ). Nh− vËy nÕu g i lµ khèi l−îng cña cÊu tö thø i trong hçn hîp th× nång ®é phÇn khèi l−îng cña cÊu tö i sÏ ®−îc biÓu diÔn b»ng biÓu thøc sau: x i′ = g i ∑ gi (II.1) T−¬ng tù, n i lµ sè mol cÊu tö thø i trong hçn hîp khÝ th× nång ®é phÇn mol cña cÊu tö thø i sÏ ®−îc biÓu diÔn b»ng biÓu thøc: x i = ni ∑ ni (II.2) V i lµ thÓ tÝch cÊu tö thø i trong hçn hîp khÝ th× nång ®é phÇn thÓ tÝch cña cÊu tö i ®−îc biÓu diÔn b»ng biÓu thøc sau: vi = Vi ∑ Vi (II.3) Gi÷a çc nång ®é cã quan hÖ víi nhau vµ cã thÓ tÝnh chuyÓn ®æi tõ nång ®é nµy sang nång ®é kh¸c. Khi tÝnh to¸n c«ng nghÖ qu¸ tr×nh chÕ biÕn khÝ, cÇn thiÕt ph¶i x¸c ®Þnh tÝnh chÊt nhiÖt ®éng cña çc chÊt vµ hçn hîp cña chóng nh− entanpi, entropi, tû träng, fugat. §Ó x¸c ®Þnh çc ®¹i l−îng trªn, ng−êi ta sö dông ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i x¸c ®Þnh quan hÖ gi÷a nhiÖt ®é, ¸p suÊt vµ thÓ tÝch cña hÖ. Víi hÖ khÝ lý t−ëng chóng ta cã ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i: PV = nRT (II.4) TÝnh chÊt nhiÖt ®éng cña khÝ tù nhiªn, khÝ ®ång hµnh vµ çc cÊu tö cña chóng rÊt kh¸c víi tÝnh chÊt cña khÝ lý t−ëng, ®Æc biÖt ë nhiÖt ®é thÊp vµ ¸p suÊt cao. V× vËy kh«ng thÓ sö dông ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i khÝ lý t−ëng ®Ó x¸c ®Þnh çc tÝnh chÊt cña chóng. Do ®ã, cã rÊt nhiÒu ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i m« t¶ hÖ khÝ thùc. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 19 • Ph−¬ng tr×nh Van der Waals: ( P + a / v2 ) ( v − b ) = RT (II.5) trong ®ã: a , b lµ çc h»ng sè t−¬ng quan; v lµ thÓ tÝch mol. • Ph−¬ng tr×nh Benedict - Webb - Rubin (BWR): ph−¬ng tr×nh cã chøa 8 h»ng sè: P = RT ρ + ( B 0 RT − A 0 − C 0 / T 2 ). ρ 2 + ( bRT − a ). ρ 3 + a αρ 6 + ( c ρ 3 / T 2 ).(1 + γρ 2 ) e −γρ 2 (II.6) trong ®ã: A 0 , B 0 , C 0 , a , b , c , α vµ γ lµ çc h»ng sè quan hÖ; P lµ ¸p suÊt; T lµ nhiÖt ®é tuyÖt ®èi; ρ lµ tû träng mol. • Ph−¬ng tr×nh Redlich - Kwong (RK): P = RT a − 0, 5 v−b T v(v + b) (II.7) trong ®ã: a , b lµ çc h»ng sè quan hÖ; v lµ thÓ tÝch mol. • Ph−¬ng tr×nh Peng - Robinson (PR). P = RT a( T ) − v−b v(v + b) + b(v − b) (II.8) trong ®ã: a, b lµ çc h»ng sè quan hÖ; v lµ thÓ tÝch mol. Çc ph−¬ng tr×nh BWR, RK vµ PR cßn ®−îc gäi lµ çc ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i lËp ph−¬ng v× khi viÕt cho thÓ tÝch chóng chøa mò lËp ph−¬ng. Çc h»ng sè a, b lµ hµm cña nhiÖt ®é tíi h¹n T c , ¸p suÊt tíi h¹n P c vµ thõa sè ω gäi lµ thõa sè acentric. Thõa sè ω ®−îc x¸c ®Þnh tõ ph−¬ng tr×nh sau: ω = − logP r − 1 (II.9) (II.10) trong ®ã: P r = P*/P c P* lµ ¸p suÊt h¬i ë T = 0,7 T c ; P c lµ ¸p suÊt tíi h¹n; T c lµ nhiÖt ®é tíi h¹n. Thõa sè ω ®−îc sö dông phæ biÕn nh− mét c«ng cô ®Ó hiÖu chØnh sù sai lÖch trong ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i khÝ thùc. Ng−êi ta cßn ®−a ra th«ng sè hiÖu chØnh z vµ ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cã d¹ng ®¬n gi¶n: PV = zRT (II.11) trong ®ã z lµ hµm sè cña çc th«ng sè cña çc ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i nãi trªn. 20 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cã thÓ viÕt l¹i d−íi d¹ng: ρ= ( P).( MW ) zRT (II.12) trong ®ã (MW) lµ khèi l−îng ph©n tö trung b×nh cña hçn hîp khÝ. Ph−¬ng tr×nh (II.12) dïng khi cÇn tÝnh to¸n tû träng cña khÝ ë nhiÖt ®é T vµ ¸p suÊt P. Çc h»ng sè vµ çc th«ng sè ®Ó tÝnh to¸n cã thÓ t×m ®−îc trong çc tµi liÖu vµ trong çc sæ tay. II.2. Gi¶n ®å pha hÖ mét cÊu tö Trªn h×nh II.1 lµ gi¶n ®å pha cña chÊt tinh khiÕt (hÖ mét cÊu tö) theo hÖ ba trôc to¹ ®é P, V, T. Çc miÒn tån t¹i hai pha: BDHG - láng vµ r¾n, FGIJ r¾n vµ h¬i, HCI - láng vµ h¬i. R¾n R¾n Láng + Láng Láng + H¬i ¸p suÊt H¬i R¾n + H¬i § N H I é Öt ThÓ tÝch H×nh II.1. Gi¶n ®å P − V − T cña hÖ mét cÊu tö Çc miÒn nµy vu«ng gãc víi trôc nhiÖt ®é. MiÒn chØ cã pha láng lµ miÒn v¸ch phÝa bªn tr¸i miÒn HCI vµ liÒn kÒ miÒn BDHG. MiÒn chØ cã pha h¬i lµ s−ên dèc phÝa bªn ph¶i cña miÒn HCI. TÊt c¶ çc miÒn ®Òu ®¸ng chó ý, http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 21 nh−ng ®Æc biÖt quan träng lµ miÒn HCI. Ng−êi ta cã thÓ biÓu diÔn trªn hÖ hai trôc to¹ ®é P − T hoÆc P − V. TÊt c¶ çc miÒn hai pha ®Òu vu«ng gãc víi trôc nhiÖt ®é nªn sÏ lµ çc ®−êng cong trong to¹ ®é P − T nh− trªn h×nh II.2. ¸p suÊt ChÊt láng chÆt H¬i qu¸ nhiÖt hoÆc khÝ Láng R¾n H¬i §iÓm ba nhiÖt ®é H×nh II.2. Gi¶n ®å P −T cña hÖ mét cÊu tö §−êng HD, HC vµ FH lµ çc ®−êng c©n b»ng, bao gåm tËp hîp çc gi¸ trÞ ¸p suÊt, nhiÖt ®é, t¹i ®ã cã c©n b»ng pha. §iÓm H lµ ®iÓm duy nhÊt t¹i nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt x¸c ®Þnh ®ång thêi tån t¹i ba pha c©n b»ng víi nhau. T¹i ®−êng c©n b»ng ë nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt kh«ng ®æi hÖ cã thÓ chuyÓn pha b»ng çch thªm vµo hoÆc lÊy bít n¨ng l−îng cña hÖ. Däc theo ®−êng FH kh«ng tån t¹i pha láng, vµ pha r¾n th¨ng hoa thµnh h¬i. Dïng CO 2 r¾n ("n−íc ®¸ kh«") ®Ó lµm l¹nh lµ mét vÝ dô. HD lµ ®−êng c©n b»ng r¾n láng. Tr¹ng th¸i n−íc ®¸ ë 0 0 C (32 0 F) vµ ¸p suÊt khÝ quyÓn thuéc ®−êng nµy. §−êng HD cã thÓ dèc theo chiÒu d−¬ng hay chiÒu ©m tuú thuéc vµo chÊt láng co ngãt hay gi n në khi lµm l¹nh. N¨ng l−îng thay ®æi däc theo ®−êng HD gäi lµ nhiÖt nãng ch¶y. T¹i bÊt kú gi¸ trÞ P vµ T däc theo ®−êng nµy, tr¹ng th¸i cña hÖ cã thÓ hoµn toµn láng hoÆc hoµn toµn r¾n hoÆc hçn hîp r¾n - láng tuú thuéc vµo møc n¨ng l−îng cña hÖ. §−êng HD ®−îc gäi lµ ®−êng b o hoµ r¾n - láng hoÆc ®−êng c©n b»ng r¾n - láng. §−êng HC lµ ®−êng b o hoµ hoÆc c©n b»ng gi÷a hai pha láng vµ h¬i. 22 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn §iÓm C lµ ®iÓm tíi h¹n øng víi nhiÖt ®é tíi h¹n TC vµ ¸p suÊt tíi h¹n P C . T¹i ®iÓm nµy, çc tÝnh chÊt cña láng vµ h¬i trë thµnh ®ång nhÊt. §èi víi ®¬n chÊt, ®iÓm tíi h¹n cã thÓ ®−îc ®Þnh nghÜa lµ ®iÓm mµ phÝa trªn nã, pha láng kh«ng thÓ tån t¹i nh− mét pha ®éc lËp. Nãi çch kh¸c, phÝa trªn ®iÓm tíi h¹n khÝ kh«ng thÓ bÞ ho¸ láng b»ng çch nÐn ¸p suÊt cao. PhÝa trªn ®iÓm C hÖ ®−îc m« t¶ nh− pha láng chÆt (dense fluid) kh¸c víi pha h¬i vµ láng th«ng th−êng (liquid). §−êng HC th−êng ®−îc gäi lµ ®−êng ¸p suÊt h¬i. Còng cã khi ®−îc gäi lµ ®−êng cong ®iÓm s−¬ng, vµ ®−êng cong ®iÓm bät cña ®¬n chÊt. Xem xÐt qu¸ tr×nh chuyÓn pha ®¼ng ¸p trªn h×nh II.2. Tõ "m" ®Õn "n" hÖ ë tr¹ng th¸i r¾n. HÖ hoµn toµn ë tr¹ng th¸i láng trong kho¶ng o - b. T¹i "b", hÖ ë tr¹ng th¸i láng b o hoµ. BÊt kú sù cung cÊp n¨ng l−îng sÏ lµm láng ho¸ thµnh h¬i ë nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt kh«ng ®æi. T¹i "d", hÖ ë tr¹ng th¸i h¬i b o hoµ. TiÕp tôc t¨ng nhiÖt ®é sÏ nhËn ®−îc h¬i qu¸ nhiÖt. T¹i çc gi¸ trÞ ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é trªn ®−êng HC hÖ cã thÓ tån t¹i hoµn toµn ë tr¹ng th¸i láng b o hoµ hoÆc h¬i b o hoµ hoÆc hçn hîp láng h¬i. §iÒu kiÖn ®Ó hÖ tån t¹i ë tr¹ng th¸i pha nµo ®ã phô thuéc vµo møc n¨ng l−îng ë ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é x¸c ®Þnh. H×nh vu«ng "bfghd" trªn h×nh II.2 m« t¶ tÝnh chÊt pha quan träng kh¸c ®−îc x¸c minh b»ng thùc nghiÖm. Gi¶ sö trong b×nh chøa cã cöa sæ ®−îc ®æ ®Çy mét chÊt láng nµo ®ã. §Æt b×nh chøa t¹i ®iÒu kiÖn cña ®iÓm “b” vµ chiÕu vµo cöa sæ cho dÔ quan s¸t. T¨ng ¸p suÊt ë nhiÖt ®é kh«ng ®æi (nÐn ®¼ng nhiÖt), ®i tõ "b" tíi "f" ¸nh s¸ng sÏ bÞ mê ®i. Tíi mét ®iÓm nµo ®ã (t−¬ng tù nh− khi chóng ta nh¸y m¾t) ¸nh s¸ng hoµn toµn biÕn mÊt. Khi nµy, trong b×nh chøa cã mét çi g× ®ã gièng nh− h¬i nh−ng kh«ng t¹o bät nh− vÉn th−êng thÊy. T¹i "f" ë phÝa trªn ®iÓm tíi h¹n C, hÖ tån t¹i ë tr¹ng th¸i pha thø t−, tr¹ng th¸i pha ®Æc biÖt kh«ng thÓ m« t¶ nhê çc gi¸c quan, th−êng ®−îc gäi lµ pha láng chÆt (dense fluid) kh¸c víi pha láng th«ng th−êng (liquid). Tuy nhiªn pha láng nµy còng cã thÓ ch¶y thµnh dßng vµ ®−îc sö dông nh− khÝ vµ láng th«ng th−êng. Pha láng t¹i "f" tr«ng gièng nh− khÝ nh−ng tÝnh chÊt l¹i kh¸c víi khÝ th«ng th−êng ë bªn ph¶i ®−êng HC vµ phÝa d−íi P C : nã cã tû träng lín h¬n khÝ nh−ng ®é chÞu nÐn cao h¬n láng th«ng th−êng. Tõ "f" cã thÓ thùc hiÖn qu¸ tr×nh ®¼ng ¸p tíi "g", gi¶m ¸p ®¼ng nhiÖt tíi "h" vµ sau ®ã ®¼ng ¸p tíi "d". Nh− vËy ® chuyÓn tõ láng b o hoµ sang h¬i b o hoµ mµ kh«ng cã sù chuyÓn pha nµo c¶. Cã thÓ ®i th¼ng tõ "b" ®Õn "d" http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 23 b»ng çch thªm n¨ng l−îng vµo chÊt láng ë ¸p suÊt kh«ng ®æi. Khi nµy trong b×nh chøa sÏ thÊy çc bät khÝ t¹o thµnh. TiÕp tôc bæ sung n¨ng l−îng láng sÏ chuyÓn thµnh h¬i hoµn toµn, kh«ng cã sù thay ®æi nhiÖt ®é khi ®i tõ "b" (láng b o hoµ) tíi "d" (h¬i b o hoµ). Tõ ®iÓm nhiÖt ®é tíi h¹n t c trªn trôc nhiÖt ®é (h×nh II.1) ®i tíi ®iÓm tíi h¹n C, tøc lµ ® tiÕp xóc víi ®−êng bao pha HCI. Çc ®−êng nhiÖt ®é n»m gi÷a çc ®−êng cong HC vµ CI bªn trong ®−êng bao pha t−¬ng øng víi ¸p suÊt kh«ng ®æi, ®ã lµ ®Æc tr−ng c¬ b¶n cña gi¶n ®å pha hÖ 1 cÊu tö. §−êng cong ¸p suÊt h¬i cña çc hydrocacbon nhÑ ®−îc ®−a ra trªn h×nh III.1 vµ III.2. §ã lµ çc ®−êng cong HC trªn h×nh II.2. II.3. Gi¶n ®å pha hÖ nhiÒu cÊu tö §èi víi hÖ nhiÒu cÊu tö, vÞ trÝ cña çc ®−êng cong trªn gi¶n ®å pha phô thuéc vµo thµnh phÇn cña hçn hîp. Víi hÖ mét cÊu tö, ®−êng bao pha HCI t¹o thµnh miÒn lµ mét mÆt ph¼ng. §èi víi hÖ nhiÒu cÊu tö hçn hîp çc chÊt, ®−êng bao pha t¹o thµnh kh«ng ph¶i mét mÆt ph¼ng mµ cã chiÒu dµy nh− h×nh çi l−ìi. Thµnh phÇn lµ biÕn sè ph¶n ¸nh chiÒu dµy cña bao pha. NÕu thay trôc thÓ tÝch trªn h×nh II.1 b»ng trôc thµnh phÇn vµ sau ®ã lËp gi¶n ®å ¸p suÊt - nhiÖt ®é phÇn láng - h¬i cña gi¶n ®å pha hÖ nhiÒu cÊu tö sÏ nhËn ®−îc h×nh II.3. ¸p suÊt MiÒn suy biÕn §iÓm bät §iÓm s−¬ng NhiÖt ®é H×nh II.3. Gi¶n ®å pha ®iÓn h×nh hÖ nhiÒu cÊu tö §−êng ABDE biÓu diÔn qu¸ tr×nh ng−ng tô ®¼ng nhiÖt suy biÕn ®iÓn h×nh trong çc má khÝ condensat. §iÓm A biÓu diÔn pha láng chÆt (fluid) n»m bªn ngoµi ®−êng bao pha. Khi gi¶m ¸p suÊt tíi ®iÓm B, b¾t ®Çu qu¸ 24 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn tr×nh ng−ng tô. TiÕp tôc gi¶m ¸p suÊt, l−îng láng h×nh thµnh nhiÒu h¬n, v× cã sù ®æi h−íng cña çc ®−êng tØ lÖ láng - h¬i (quality lines - çc ®−êng nÐt ®øt trªn h×nh II.3). MiÒn suy biÕn (retrograde region) ®−îc t¹o bëi çc ®iÓm thay ®æi ®é dèc cña çc ®−êng nµy. Trong miÒn suy biÕn, sù ng−ng tô láng x¶y ra khi gi¶m ¸p suÊt hoÆc t¨ng nhiÖt ®é (ng−îc víi sù ng−ng tô th«ng th−êng). TiÕp tôc gi¶m ¸p suÊt, ra khái miÒn suy biÕn, ®i tõ D tíi E, l−îng láng gi¶m dÇn cho tíi khi ®¹t ®iÓm s−¬ng (®iÓm E). PhÝa d−íi ®iÓm E kh«ng cßn tr¹ng th¸i láng, chØ cßn trang th¸i h¬i. ¸p suÊt ¸p suÊt §iÓm tíi h¹n C cña hçn hîp khÝ hydrocacbon lu«n lu«n ë phÝa bªn tr¸i cña ®iÓm N (cricondenbar - ®iÓm øng víi ¸p suÊt cùc ®¹i sù h×nh thµnh pha láng vµ pha h¬i). VÞ trÝ cña ®iÓm C lµ quan träng nhÊt, ®iÒu ®ã liªn quan ®Õn sù thay ®æi h−íng cña çc ®−êng láng h¬i bªn trong ®−êng bao pha. §iÓm tíi h¹n C ®«i khi cã thÓ ë bªn ph¶i ®iÓm N, nh− biÓu diÔn trªn h×nh II.4. Khi ®ã sÏ cã hai miÒn suy biÕn. Nh−ng h×nh II.3 biÓu diÔn gi¶n ®å pha ®iÓn h×nh víi hÇu hÕt çc hÖ nhiÒu cÊu tö ®−îc tÝnh to¸n trong çc qu¸ tr×nh c«ng nghÖ. NhiÖt ®é NhiÖt ®é H×nh II.4. ¶nh h−ëng cña thµnh phÇn ®Õn ®−êng bao pha cña hÖ bËc hai etan - propan H×nh II.5. VÞ trÝ quü tÝch tíi h¹n cña mét sè hÖ bËc hai http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 25 L−u ý r»ng çc gi¸ trÞ gi¶ tíi h¹n tÝnh to¸n ®−îc trong ch−¬ng III kh«ng ph¶i lµ ®iÓm C trªn h×nh II.3 trõ tr−êng hîp ngÉu nhiªn. Trªn h×nh II.4 lµ gi¶n ®å pha cña hÖ bËc hai metan - propan, cho thÊy ¶nh h−ëng cña thµnh phÇn ®Õn h×nh d¸ng vµ vÞ trÝ cña ®−êng bao pha. Hai ®−êng cong ngoµi cïng lµ çc ®−êng ¸p suÊt h¬i cña metan vµ propan, b¾t ®Çu tõ ®iÓm tíi h¹n. Ba ®−êng bao pha cßn l¹i lµ cña ba hçn hîp cã tû lÖ thµnh phÇn metan - propan kh¸c nhau. §−êng nÐt ®øt lµ ®−êng nèi tÊt c¶ çc ®iÓm tíi h¹n trªn mçi ®−êng bao pha, ®−îc gäi lµ quü tÝch tíi h¹n, b¾t ®Çu tõ ®iÓm tíi h¹n cña metan, kÕt thóc t¹i ®iÓm tíi h¹n cña propan. Nh− vËy vÞ trÝ ®iÓm tíi h¹n trªn mçi ®−êng bao pha thay ®æi theo thµnh phÇn cña hçn hîp çc hydrocacbon. ¸p suÊt NhiÖt ®é a) CO2 ¸p suÊt ¸p suÊt H×nh II.4 vµ II.5 cho thÊy ¶nh h−ëng cña thµnh phÇn hçn hîp ®Õn vÞ trÝ vµ h×nh d¹ng ®−êng bao pha. Dù ®o¸n chÝnh x¸c vÒ ®iÒu kiÖn h×nh thµnh ®iÓm bät vµ ®iÓm s−¬ng, ®iÓm tíi h¹n lµ rÊt quan träng khi tÝnh to¸n thiÕt kÕ c«ng nghÖ. NhiÖt ®é c) N 2 NhiÖt ®é b) H2S H×nh II.6. ¶nh h−ëng cña CO 2 , H 2 S ®Õn ®−êng bao pha cña khÝ tù nhiªn 26 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Çc t¹p chÊt kh«ng hydrocacbon trong khÝ nh− n−íc, CO 2 , H 2 S, N 2 cã ¶nh h−ëng ®¸ng kÓ ®Õn ®−êng bao pha. N−íc cã ¸p suÊt h¬i thÊp vµ kh«ng tan lÉn trong hydrocacbon láng nªn chØ ¶nh h−ëng ®Õn ®−êng bao pha cña hçn hîp ë ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é cao vµ ¸p suÊt thÊp. ¶ nh h−ëng cña H 2 S, CO 2 vµ N 2 ®Õn ®−êng bao pha ®−îc m« t¶ trªn h×nh II.6. CO 2 vµ H 2 S lµm gi¶m ®iÓm ¸p suÊt cùc ®¹i tån t¹i h¬i vµ láng (cricondenbar) cña hçn hîp. Çc cÊu tö kh¸c trong khÝ tù nhiªn nh− etan, propan vµ butan còng cã ¶nh h−ëng t−¬ng tù. MÆt kh¸c, N 2 l¹i lµm t¨ng ®iÓm ¸p suÊt cùc ®¹i tån t¹i h¬i vµ láng (cricondenbar) cña hçn hîp vµ gi¶m kh¶ n¨ng trén lÉn. II.4. c©n b»ng pha láng - h¬i NhiÒu qu¸ tr×nh c«ng nghÖ ®−îc thùc hiÖn ë ®iÒu kiÖn cã c©n b»ng pha láng - h¬i nh− çc qu¸ tr×nh ch−ng cÊt, hÊp thô. Trªn thùc tÕ, tÝnh to¸n çc qu¸ tr×nh trªn kh«ng hoµn toµn ®¹t ®−îc tr¹ng th¸i c©n b»ng pha v× thêi gian tiÕp xóc gi÷a hai pha láng vµ h¬i ch−a ®ñ ®Ó thiÕt lËp c©n b»ng. §Ó thuËn tiÖn cho viÖc tÝnh to¸n, ng−êi ta cÇn ®−a ra thõa sè hiÖu chØnh. C©n b»ng pha kh«ng ph¶i tr¹ng th¸i tÜnh mµ lµ c©n b»ng ®éng, vÉn lu«n tån t¹i sù chuyÓn ®éng cña çc ph©n tö tõ pha láng sang pha h¬i vµ ng−îc l¹i. Tèc ®é bay h¬i vµ ng−ng tô lµ b»ng nhau. §¹i l−îng ®Æc tr−ng cho sù ph©n bè cña çc cÊu tö gi÷a çc pha ë ®iÒu kiÖn c©n b»ng lµ h»ng sè c©n b»ng pha K ®−îc x¸c ®Þnh b»ng ph−¬ng tr×nh: Ki = yi / xi (II.13) trong ®ã y i lµ phÇn mol cña cÊu tö i trong pha h¬i; x i lµ phÇn mol cña cÊu tö i trong pha láng. XÐt c©n b»ng vËt liÖu cña th¸p t¸ch: C i lµ phÇn mol cÊu tö i trong dßng nguyªn liÖu vµo th¸p t¸ch; y i lµ phÇn mol cÊu tö i trong pha h¬i; x i lµ phÇn mol cÊu tö i trong pha láng; K i lµ h»ng sè c©n b»ng pha láng - h¬i; F lµ tæng sè mol nguyªn liÖu; V lµ tæng sè mol h¬i; L lµ tæng sè mol láng; http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn V, yi F, Ci L, xi 27 Ta cã ph−¬ng tr×nh c©n b»ng vËt liÖu cña th¸p t¸ch: F=V+L Víi cÊu tö i nµo ®ã: F.C i = V.y i + L.x i Khi ¸p suÊt P cña hÖ d−íi 400 kPa (600 psi) cã thÓ coi nh− khÝ lý t−ëng. Khi ®ã cã thÓ sö dông ¸p suÊt h¬i ®Ó tÝnh ¸p suÊt c©n b»ng pha. ë ®iÒu kiÖn c©n b»ng, tèc ®é bay h¬i cña tÊt c¶ çc cÊu tö ph¶i b»ng tèc ®é ng−ng tô, nghÜa lµ kh«ng cã sù thay ®æi thµnh phÇn pha h¬i hoÆc pha láng. Do ®ã lùc t¸c dông theo c¶ hai h−íng ph¶i lµ b»ng nhau: Pyi Pixi Py i = P i x i trong ®ã: P i lµ ¸p suÊt h¬i riªng phÇn cña cÊu tö i nµo ®ã t¹i ¸p suÊt P vµ nhiÖt ®é T cña th¸p t¸ch. Tõ ®ã ta cã: K i = P i /P (II.14) §iÒu kiÖn c©n b»ng pha c¬ b¶n cña hÖ lµ nhiÖt ®é, ¸p suÊt vµ thÕ ho¸ häc cña mçi cÊu tö ph¶i b»ng nhau ë pha khÝ vµ pha láng: PL = PK (II.15) TL = TK (II.16) μL = μK (II.17) Chªnh lÖch thÕ ho¸ häc cña mét cÊu tö nµo ®ã trong hai pha lµ ®éng lùc cña qu¸ tr×nh chuyÓn khèi gi÷a çc pha. T−¬ng tù, chªnh lÖch cña nhiÖt ®é lµ ®éng lùc cña qu¸ tr×nh truyÒn nhiÖt, cßn chªnh lÖch ¸p suÊt lµ ®éng lùc cña çc qu¸ tr×nh c¬ häc. C©n b»ng cña hÖ ®¹t ®−îc khi hiÖu sè chªnh lÖch ®ã ®¹t gi¸ trÞ 0. ë ¸p suÊt cao h¬n, cã thÓ tíi 3,5 MPa (500 psi), ng−êi ta sö dông kh¸i niÖm fugat (ký hiÖu lµ f) cã liªn quan ®Õn n¨ng l−îng tù do vµ çc kh¸i niÖm nhiÖt ®éng häc c¬ së kh¸c. Fugat cã thø nguyªn ¸p suÊt, ®−îc sö dông ®Ó hiÖu chØnh víi hÖ khÝ thùc, vµ cã liªn quan víi thõa sè chÞu nÐn z, ®«i khi f cßn ®−îc gäi lµ "¸p suÊt hiÖu chØnh". Ng−êi ta cßn sö dông kh¸i niÖm hÖ sè fugat ϕ = f / P §èi víi hÖ khÝ thùc, sù thay ®æi thÕ ho¸ häc tû lÖ víi sù thay ®æi cña fugat hoÆc ho¹t ®é cña cÊu tö ®ã, v× vËy c©n b»ng cña fugat vµ ho¹t ®é cña cïng mét cÊu tö trong çc pha kh¸c nhau còng lµ dÊu hiÖu c©n b»ng: 28 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn fiL = fiK (II.18) aiL = aiK (II.19) Khi biÕt fugat cña çc cÊu tö trong hÖ, còng cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc h»ng sè c©n b»ng cña tõng cÊu tö, tøc lµ x¸c ®Þnh ®−îc c©n b»ng cña nã. Ph−¬ng tr×nh c©n b»ng pha lý t−ëng cã d¹ng: Ki = yi f0 = iL0 x i f iK (II.20) 0 víi f iL0 lµ fugat cña cÊu tö tinh khiÕt ë tr¹ng th¸i láng; f iK lµ fugat cña cÊu tö tinh khiÕt ë tr¹ng th¸i khÝ. Theo ®Þnh luËt dung dÞch lý t−ëng (kh¸c víi ®Þnh luËt khÝ lý t−ëng) f i L = f iL0 . x i vµ 0 f i K = f iK . yi trong ®ã: f i L lµ fugat cña cÊu tö i trong hçn hîp láng; f i K lµ fugat cña cÊu tö i trong hçn hîp khÝ. T¹i c©n b»ng: fiL = fiK 0 f iL0 . x i = f i K = f iK . yi Do ®ã: Ki = yi f0 = iL0 x i f iK HÖ sè fugat ϕ cña hçn hîp b»ng: ϕ = f i / P.C i (II.21) §èi víi cÊu tö tinh khiÕt C i = 1, ¸p suÊt cña hÖ b»ng ¸p suÊt h¬i b o hoµ cña cÊu tö ®ã ë ¸p suÊt ® cho. Khi ®ã hÖ sè fugat cña cÊu tö i tinh khiÕt cã d¹ng: vi0 = fi0 / Pi0 (II.22) γ = a i / c i = f i / (c.f i *) (II.23) HÖ sè ho¹t ®é: trong ®ã f i * lµ fugat cña cÊu tö i ë tr¹ng th¸i láng ë ®iÒu kiÖn tiªu chuÈn; c lµ nång ®é dung dÞch. Khi ®ã h»ng sè c©n b»ng cña hÖ khÝ thùc: http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 29 Ki = ϕiL / ϕiK (II.24) Ki = γiL f i* / ϕiKP hoÆc: Ki = γiL vi / ϕik (II.25) Tõ çc ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i khÝ thùc (BWR, PR, RK,...) cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc ϕ i . §ã lµ c¬ së cña ph−¬ng ph¸p gi¶i tÝch ®Ó tÝnh h»ng sè c©n b»ng pha cña hçn hîp hydrocacbon. Ph−¬ng tr×nh tÝnh to¸n fugat cña cÊu tö i trong hÖ khÝ thùc nh− sau: P RTlnf i = RT ln Pi + ∫ (Vi − V )dP (II.26) 0 trong ®ã V i lµ thÓ tÝch mol riªng phÇn cña cÊu tö i; V lµ thÓ tÝch khÝ lý t−ëng: V = RT/P. Ph−¬ng tr×nh x¸c ®Þnh ϕ i cã d¹ng: P ⎡ ⎛ ∂V RTlnϕ i = ∫ ⎢⎜⎜ ⎢ ∂ni 0 ⎣⎝ ⎤ ⎞ RT ⎥ ⎟⎟ − dP P ⎥ ⎠ T,P,n j≠ i ⎦ (II.27) hoÆc ln ϕ = l RT ∞ ∫ V ⎡⎛ ∂P ⎞ RT ⎤ ⎢⎜ ⎟ ⎥ dV − lnZ − V ⎥ ⎢⎣⎝ ∂n ⎠ T,V, n j ⎦ (II.28) §ã lµ biÓu thøc tæng qu¸t nhÊt ®Ó x¸c ®Þnh h»ng sè c©n b»ng pha cña hçn hîp hydrocacbon. TÝnh to¸n b»ng çc ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i kh¸c nhau sÏ cho kÕt qu¶ kh¸c nhau. §ã lµ v× khi tÝnh to¸n cÇn ph¶i gi¶i çc ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i khÝ thùc cã liªn quan ®Õn çc quy t¾c, çc ®Þnh luËt vµ çc thõa sè hiÖu chØnh kh«ng ph¶i lµ chÝnh x¸c hoµn toµn cho mäi hçn hîp. Mµ cÇn ph¶i cho kÕt qu¶ gÇn víi çc sè liÖu thùc nghiÖm ® thu ®−îc. Víi çc ph©n tö hydrocacbon ®¬n gi¶n sù hiÖu chØnh kh¸ phï hîp. KÕt qu¶ tÝnh to¸n víi çc parafin m¹ch th¼ng tõ etan tíi decan lµ ®óng ®¾n. Riªng víi metan cã sù sai kh¸c do ¸p suÊt h¬i cña metan lín vµ tÝnh chÊt bÊt th−êng cña metan trong pha láng. Víi nit¬ còng cã sù sai lÖch t−¬ng tù. Hydrosunfit, n−íc vµ cacbon dioxit kh¸c xa çc hydrocacbon do tÝnh ph©n cùc cña chóng. V× vËy víi çc hçn hîp khÝ cã chøa mét vµi hoÆc tÊt c¶ 30 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn çc cÊu tö kÓ trªn, tÝnh chÊt cña hçn hîp khÝ sÏ rÊt phøc t¹p, viÖc tÝnh to¸n cÇn ph¶i cã sù hiÖu chØnh ®Æc biÖt. Cã nhiÒu ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau ®Ó x¸c ®Þnh h»ng sè c©n b»ng pha cña hÖ nhiÒu cÊu tö. Trong ch−¬ng nµy sÏ lÇn l−ît nghiªn cøu çc ph−¬ng ph¸p gi¶i tÝch vµ ph−¬ng ph¸p gi¶n ®å ®Ó x¸c ®Þnh h»ng sè c©n b»ng pha cña hçn hîp çc hydrocacbon. II.5. Ph−¬ng ph¸p gi¶i tÝch x¸c ®Þnh h»ng sè c©n b»ng pha cña hçn hîp çc hydrocacbon §Æc tr−ng c¬ b¶n cña ph−¬ng ph¸p gi¶i tÝch ®Ó x¸c ®Þnh h»ng sè c©n b»ng pha lµ sö dông çc ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i kh¸c nhau, tÝnh to¸n hÖ sè fugat vµ ho¹t ®é cña çc cÊu tö. B¶n chÊt cña ph−¬ng ph¸p nµy lµ h»ng sè c©n b»ng pha ®−îc x¸c ®Þnh nhê hÖ sè fugat. HiÖn nay ®èi víi hÖ çc hydrocacbon, ng−êi ta th−êng sö dông nhÊt lµ çc ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i Benedict - Webb - Rubin (BWR), ph−¬ng tr×nh Redlich - Kwong (RK), ph−¬ng tr×nh Peng - Robinson (PR) ® nªu ë phÇn trªn. II.5.1. Sö dông ph−¬ng tr×nh RK ®Ó x¸c ®Þnh h»ng sè c©n b»ng pha Tõ ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i RK: P = trong ®ã: RT a − 0 ,5 v−b T v(v − b) (II.7) b = ∑b iyi (II.29) b i = 0,0867 RT c i / P c i (II.30) d = ∑ di yi d i = A i + B i (T c i / T − 1) + C i (T c i / T − 1) (II.31) 2 (II.32) víi A i , B i , C i lµ hÖ sè cña çc cÊu tö riªng biÖt. Mét trong çc th«ng sè tr¹ng th¸i a ®−îc thay thÕ b»ng th«ng sè d, trong ®ã d phô thuéc vµo nhiÖt ®é rót gän. Th«ng sè d cßn lµ hµm cña thµnh phÇn hçn hîp. Çc gi¸ trÞ cña nã nhËn ®−îc tõ xö lý çc sè liÖu thùc nghiÖm x¸c ®Þnh c©n b»ng láng − h¬i vµ entanpi cña hÖ. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 31 Khi ®ã ph−¬ng tr×nh RK cã d¹ng sau: P = RT bd RT − v−b v(v + d ) (II.33) ViÖc ®−a th«ng sè míi d thay thÕ cho th«ng sè a cho phÐp nhËn ®−îc ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i m« t¶ chÝnh x¸c h¬n çc tÝnh chÊt nhiÖt ®éng cña hçn hîp thùc çc hydrocacbon ë tr¹ng th¸i khÝ vµ láng. Gi¶i çc ph−¬ng tr×nh trªn ta nhËn ®−îc: lnϕ i = bi m b dm m⎞ ⎛ − ln( z − m ) − d i ln⎜1 + ⎟ − i b( z − m ) z ⎠ b( z + m ) ⎝ (II.34) trong ®ã: m = Pb/RT; z ë ®©y lµ th«ng sè ®é chÞu nÐn. Th«ng sè ®é chÞu nÐn z ®−îc x¸c ®Þnh tõ ph−¬ng tr×nh: z 3 − z 2 − z (m 2 + m − dm) − dm 2 = 0 (II.35) HÖ sè b, b i , d, d i ®−îc x¸c ®Þnh tõ çc ph−¬ng tr×nh (I.29 ÷ II.32). Çc hÖ sè A i , B i , C i cã trong b¶ng II.1. B¶ng II.1. Gi¸ trÞ çc hÖ sè A i , B i , C i trong ph−¬ng tr×nh (II.32) 32 CÊu tö Ai Bi Ci Metan (T > 190,55K) 4,934 8,00 1,5 Metan (T < 190,55K) 4,934 7,39 0,3 Etan 4,934 8,30 0 Propan 4,934 8,82 0 izo-Butan 4,934 9,30 0 n-Butan 4,934 9,35 0 izo-Pentan 4,934 9,40 0 n-Pentan 4,934 9,50 0 n-Hexan 4,934 10,00 0 n-Heptan 4,934 10,50 0 n-Octan 4,934 11,00 0 n-Nonan 4,934 11,20 0 n-Decan 4,934 11,60 0 CO 2 3,500 6,80 0 H2S 4,260 6,50 0 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn H»ng sè c©n b»ng pha cña nit¬ phô thuéc ®¸ng kÓ vµo b¶n chÊt cña hydrocacbon mµ nã hoµ tan: d N 2 = ∑ d Ni 2 x i (II.36) ⎛ TC N ⎞ ⎛ TC N 1⎞ 2 2 (II.37) − 1⎟ + B i ⎜ − ⎟ d Ni = Ai + Bi ⎜ 2 ⎜ T ⎟ ⎜ T 2⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ Gi¸ trÞ A i , B i , C i ®èi víi hÖ bËc 2 cña nit¬ víi çc hydrocacbon, CO 2 vµ H 2 S xem ë b¶ng II.2. B¶ng II.2. Gi¸ trÞ çc hÖ sè A i , B i , C i trong ph−¬ng tr×nh (II.37) Çc cÊu tö Ai Bi Ci Nit¬ − nit¬ Nit¬ − metan Nit¬ − etan Nit¬ − propan Nit¬ − izo-butan Nit¬ − n-butan Nit¬ − izo-pentan Nit¬ − n-pentan Nit¬ − n-hexan Nit¬ − n-heptan Nit¬ − n-octan Nit¬ − n-nonan Nit¬ − n-decan Nit¬ − CO 2 Nit¬ − H 2 S 4,934 7,66 1,95 4,350 7,30 0 2,960 5,38 1,33 2,030 3,14 0 1,790 2,71 0 1,300 2,10 0 1,100 1,80 0 1,000 1,60 0 1,000 1,60 0 1,000 1,60 0 1,000 1,60 0 1,000 1,60 0 1,000 1,60 0 2,960 5,38 1,33 2,030 3,14 0 Sai sè trung b×nh gi÷a gi¸ trÞ h»ng sè c©n b»ng K nhËn ®−îc b»ng tÝnh to¸n vµ thùc nghiÖm trong kho¶ng nhiÖt ®é (−180 ... +140 0 C) vµ ¸p suÊt ®Õn 14 MPa vµo kho¶ng 2 ... 7%. II.5.2. TÝnh to¸n h»ng sè c©n b»ng pha víi hÖ nit¬ vµ hydrocacbon parafin tõ C 1 ®Õn C 10 b»ng ph−¬ng ph¸p Kalasnhicov - Klimenco Ph−¬ng ph¸p Kalasnhicov - Klimenco dùa trªn c¬ së sö dông ph−¬ng tr×nh Benedict - Webb - Rubin (BWR). http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 33 §Ó tiÖn tÝnh to¸n, ng−êi ta ® ®−a ra çc ®¹i l−îng rót gän: vr = v / vc ; P r = P/P c ; T r = T/T c vc , P c , T c lµ çc ®¹i l−îng tíi h¹n. §Þnh luËt tr¹ng th¸i t−¬ng hîp m« t¶ víi tÊt c¶ çc chÊt, cã tån t¹i tr¹ng th¸i t¹i ®ã chóng cã cïng çc ®¹i l−îng rót gän. Ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i t−¬ng hîp cã d¹ng: f( v r , P r , T r ) = 0 (II.38) Cã thÓ ph¸t biÓu nh− sau: NÕu cã hai hay nhiÒu chÊt phï hîp víi ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i t−¬ng hîp, cã hai trong sè ba ®¹i l−îng rót gän b»ng nhau, th× chóng còng sÏ cã ®¹i l−îng rót gän thø ba nh− nhau. Çc chÊt tu©n theo ®Þnh luËt tr¹ng th¸i t−¬ng hîp ®−îc gäi lµ çc chÊt t−¬ng tù nhau vÒ mÆt nhiÖt ®éng häc. Trªn c¬ së ®Þnh luËt nµy cã thÓ x¸c ®Þnh tÝnh chÊt cña mét chÊt nÕu biÕt tÝnh chÊt cña chÊt t−¬ng tù vÒ mÆt nhiÖt ®éng. VÝ dô khi biÕt P vµ P c cña mét chÊt, cã thÓ x¸c ®Þnh P 1 cña mét chÊt kh¸c nÕu biÕt P c 1 cña nã: P1 = Pr . Pc1 mµ ta ® biÕt: P r = P/P c . §Þnh luËt tr¹ng th¸i t−¬ng hîp m« t¶ kh¸ tèt tÝnh chÊt cña çc hydrocacbon d y parafin. §iÒu ®ã ®−îc gi¶i thÝch do sù kh¸c nhau rÊt Ýt gi÷a c«ng thøc ph©n tö cña çc hydrocacbon thuéc cïng mét d y ®ång ®¼ng, hay nãi çch kh¸c v× chóng cã cïng c«ng thøc tæng qu¸t C n H 2n+2 . Møc ®é sai lÖch cña khÝ thùc víi ®Þnh luËt khÝ lý t−ëng ®−îc x¸c ®Þnh bëi th«ng sè chÞu nÐn z trong ph−¬ng tr×nh: PV = zRT §Þnh luËt tr¹ng th¸i t−¬ng hîp gi¶ thiÕt th«ng sè chÞu nÐn t¹i ®iÓm tíi h¹n z c ®èi víi tÊt c¶ çc chÊt lµ nh− nhau. Tuy nhiªn çc sè liÖu thùc nghiÖm ® chøng tá r»ng z c ®èi víi çc chÊt kh¸c nhau cã gi¸ trÞ kh¸c nhau, ®èi víi ®a sè çc chÊt khÝ z c = 0,2 ... 0,3. Çc h»ng sè vËt lý cña çc hydrocacbon tõ C 1 ®Õn C 12 vµ mét sè khÝ cã trong b¶ng II.3. Nguyªn nh©n g©y nªn sù sai lÖch ®ã lµ do h×nh d¹ng ph©n tö khÝ thùc kh«ng cã d¹ng h×nh cÇu nh− ng−êi ta ® gi¶ thiÕt. Th«ng sè acentric ω ®−îc ®−a ra ®Ó ®Æc tr−ng cho møc ®é sai lÖch h×nh d¹ng ph©n tö so víi m« h×nh h×nh cÇu. Khi ®ã ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i t−¬ng hîp cã d¹ng: f( vr , T r , P r , ω ) = 0 34 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn (II.39) B¶ng II.3. H»ng sè vËt lý cña çc hydrocacbon C1 ... C 12 vµ mét sè khÝ CÊu tö Khèi l−îng ph©n tö C1 C2 C3 izo-C 4 n-C 4 izo-C 5 n-C 5 n-C 6 n-C 7 n-C 8 n-C 9 n-C 10 n-C 11 n-C 12 N2 CO 2 H2S O2 H2 H2O NhiÖt ®é tíi h¹n ¸ p suÊt tíi h¹n zc 0 R K psi MPa EMR Thõa sè acentric ω 16,043 30,070 44,097 58,124 58,124 72,151 72,151 86,178 100,205 114,232 128,259 142,286 156,302 170,338 0,29 0,29 0,28 0,28 0,27 0,27 0,27 0,26 0,26 0,26 0,25 0,25 0,24 0,24 343 550 666 734 765 829 845 913 972 1024 1070 1112 1150 1185 191 305 370 408 425 460 470 507 540 569 595 618 639 658 666 707 617 528 551 491 489 437 397 361 332 305 285 264 4,60 4,88 4,25 3,65 3,80 3,39 3,37 3,01 2,74 2,49 2,29 2,10 1,97 1,82 14,19 24,37 34,63 44,74 44,24 55,30 55,27 65,58 75,88 86,19 96,53 106,86 117,17 127,50 0,0104 0,0979 0,1522 0,1852 0,1995 0,2280 0,2514 0,2994 0,3494 0,3977 0,4445 0,4898 0,5350 0,5620 28,016 44,010 34,076 32,000 2,016 18,015 0,29 0,28 0,28 0,29 0,30 0,235 227 548 672 278 60 1165 126 304 373 155 33 647 493 1071 1300 731 188 3199 3,40 7,38 8,96 5,04 1,30 22,06 9,71 14,44 20,28 8,69 4,23 − 0,0372 0,2667 0,0948 0,0216 −0,2202 0,3443 Ph−¬ng tr×nh trªn th−êng ®−îc øng dông ®Ó x¸c ®Þnh çc th«ng sè nhiÖt ®éng cña chÊt ë d¹ng: a = a 0 + ω.a’ (II.40) trong ®ã: a lµ th«ng sè nhiÖt ®éng cña khÝ thùc cÇn x¸c ®Þnh; a 0 lµ th«ng sè nhiÖt ®éng cña chÊt gi¶ thiÕt tu©n theo ®Þnh luËt vµ lµ hµm cña çc ®¹i l−îng rót gän; a’ lµ hÖ sè hiÖu chØnh sù sai kh¸c cña khÝ thùc so víi khÝ gi¶ thiÕt tu©n theo ®Þnh luËt, vµ còng lµ hµm cña çc ®¹i l−îng rót gän. Trªn c¬ së sö dông ph−¬ng tr×nh Benedict - Webb - Rubin (BWR) ë trªn, ®−a vµo çc ®¹i l−îng rót gän, Kalasnhicov vµ Klimenco ® nhËn ®−îc ph−¬ng tr×nh cã d¹ng: http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 35 lnf i K ⎛ c 5 Pri c c ⎞ Pr ⎛ = ⎜ c1 + 22 + 33 ⎟ ⋅ i + ⎜ c 4 + ⎜ Tri Tri Tri ⎟⎠ Tri ⎜⎝ ⎝ ⎞ Pr2i ⎟⋅ + ⎟ T5 ⎠ ri 2 ⎡⎛ c7 c8 ⎞⎟ Pri ⎛⎜ c10 c11 ⎞⎟ Pri ⎤ ⎜ ⎢ + c6 + + 2 ⋅ 5 + c9 + + 2 ⋅ 2 ⎥ ⋅ (N i − 1) 2 ⎜ ⎟ ⎜ Tri Tr Tri ⎢ Tri ⎝ Tri ⎟⎠ Tri ⎥ i ⎠ ⎣⎝ ⎦ trong ®ã: N i = (II.41) ∑ Mi yi ; Mi P c lµ ¸p suÊt tíi h¹n; T c lµ nhiÖt ®é tíi h¹n; P r i , T r i lµ çc ®¹i l−îng rót gän cña cÊu tö i . M i lµ khèi l−îng ph©n tö cña hydrocacbon (®èi víi nit¬, c«ng nhËn gi¸ trÞ khèi l−îng ph©n tö t−¬ng ®−¬ng lµ 11). c 1 ... c 11 lµ çc h»ng sè ®−îc ®−a ra trong b¶ng II.4 (víi çc hydrocacbon tõ C 2 ®Õn C 10 , çc h»ng sè c 1 ... c 11 lµ chung cßn víi nit¬ vµ metan lµ riªng). H»ng sè c©n b»ng pha ®−îc tÝnh theo ph−¬ng tr×nh: Ki = γ iL f i*L (II.42) ϕ iK P B¶ng II.4. Gi¸ trÞ çc hÖ sè c 1 ... c 11 trong ph−¬ng tr×nh Kalasnhicov - Klimenco HÖ sè 36 N2 c1 0,1827448 c2 − 0,5567094 c3 CH 4 Hydrocacbon C 2 ®Õn C 10 0,06557467 0,4567890 − 0,2533226 − 0,7364150 0,1628858 − 0,07441288 − 0,09020270 c4 − 0,3695996 − 0,06095239 − 0,04647840 c5 0,5736230 0,04814230 c6 − 0,2494726 − 0,01650733 − 0,7589850 c7 1,395258 1,233154 1,341610 c8 − 0,9883554 − 0,7383944 c9 0,2979147 0,6241929 c 10 − 2,302971 − 3,262881 c 11 4,256129 4,255619 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 0,001388500 0,0004026500 0,8807840 − 1,276069 0,5362179 Fugat cña cÊu tö tinh khiÕt trong pha láng ë tr¹ng th¸i tiªu chuÈn f i*L ®−îc x¸c ®Þnh theo ph−¬ng tr×nh: lnf i*L = lnPci + lnΨ i(0) + ω i lnΨ i(1) + trong ®ã: lnΨ i = a0 + τ i = Tr′ = a1 τi P (II.43) a5τ i + a 6τ i2 + a 2τ i + a3τ i2 + a 4τ i3 T ∑ Tc′i .yi ωi lµ thõa sè acentric cña cÊu tö i ; a 0 ... a 6 lµ çc thõa sè cña ph−¬ng tr×nh. Gi¸ trÞ cña a 0 ... a 4 ®−îc ®−a ra trong b¶ng II.5. Gi¸ trÞ a 5 , a 6 , ωi ®−îc ®−a ra trong b¶ng II.6. B¶ng II.5. B¶ng gi¸ trÞ çc hÖ sè a 0 ... a 4 a0 a1 a2 a3 a4 ln ψ (C 2 ... C 10 ) 10,6147 3,46229 − 0,678062 0,968095 − 6,52897 − 7,08812 − 7,39448 ln ψ (1) (C 2 ... C 10 ) 23,3047 − 22,7035 5,36108 (0) B¶ng II.6. B¶ng gi¸ trÞ çc hÖ sè ωi , a 5 , a 6 Çc cÊu tö Nit¬ trong C 1 ... C 10 Metan Etan Propan izo-butan n-butan izo-pentan n-pentan Hexan Heptan Octan Nonan Decan a5 935 559 650 510 394 394 326 326 272 233 213 185 166 a6 − − − − − 475 209 328 240 152 − 152 − 117 − 117 − 90,6 − 65,5 − 62,8 − 49,2 − 40,6 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ωi − − 0,105 0,152 0,192 0,200 0,206 0,252 0,298 0,349 0,392 0,450 0,479 37 §èi víi nit¬ vµ metan, thõa sè acentric nhËn gi¸ trÞ ω = 0, vµ ph−¬ng tr×nh tÝnh fugat f i*L ë trªn (II.43) cã thªm çc sè h¹ng sau: N • ®èi víi nit¬: + ∑ a N 2 −C i . x i i =2 (II.44) N ∑ xi i =2 N • ®èi víi metan: + ∑ a C1 − C i . x i i =3 (II.45) N ∑ xi i =3 *L trong ®ã a N 2 − C i lµ hÖ sè cã tÝnh ®Õn ¶nh h−ëng cña dông m«i ®Õn f N 2 ; a C 1 − C i lµ hÖ sè cã tÝnh ®Õn ¶nh h−ëng cña dung m«i ®Õn f C*L . 1 §èi víi etan vµ çc hydrocacbon nÆng h¬n, ng−êi ta thõa nhËn tr¹ng th¸i láng cña chÊt tinh khiÕt ë ®iÒu kiÖn ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é cña hÖ lµ tr¹ng th¸i tiªu chuÈn. Ph−¬ng tr×nh ®Ó tÝnh hÖ sè ho¹t ®é cña çc cÊu tö trong pha láng γ kL cã d¹ng: N N i =1 i =1 lnγ kL = ∑ (bk − bi ) x i2 + 2∑ (bk − bi ) x i S i (II.46) trong ®ã: Si = xi−1 + xi−2 + xi−3 + .... ik b i lµ hÖ sè, gi¸ trÞ ®−îc cho trong b¶ng II.7. ChØ sè k trong ph−¬ng tr×nh trªn chØ cÊu tö nµo ®ã trong d y ®ång ®¼ng ngo¹i trõ metan. Ph−¬ng tr×nh trªn ®−îc ¸p dông víi çc cÊu tö C ≥ 2 (tõ etan trë lªn). Khi ®ã nång ®é cña nit¬ (th−êng kh«ng qu¸ 10%) ®−îc tÝnh tæng víi nång ®é metan. 38 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn §èi víi nit¬ vµ metan, ph−¬ng tr×nh x¸c ®Þnh ho¹t ®é cã d¹ng: ln γ CL1 ⎧N ⎪ ∑ bC1 − C i . x i ⎪ = − ⎨ i =3 N ⎪ ∑ xi ⎪ i =3 ⎩ ln γ NL 2 ⎧N ⎪ ∑ bN 2 −C i . x i ⎪ = − ⎨ i =2 N ⎪ ∑ xi ⎪ i =2 ⎩ ⎫ 2 ⎤⎪ ⎡ ⎛ N ⎞ ⎢1 − ⎜ ∑ x i ⎟ ⎥ ⎪⎬ ⎢ ⎜⎝ i = 3 ⎟⎠ ⎥ ⎪ ⎣ ⎦ ⎪ ⎭ (II.47) ⎫ 2 ⎤⎪ ⎡ ⎛ N ⎞ ⎢1 − ⎜ ∑ x i ⎟ ⎥ ⎪⎬ ⎜ ⎢ ⎝ i = 2 ⎟⎠ ⎥ ⎪ ⎣ ⎦ ⎪ ⎭ (II.48) Çc hÖ sè tÝnh to¸n xem ë b¶ng II.7. B¶ng II.7. Gi¸ trÞ çc hÖ sè trong ph−¬ng tr×nh tÝnh fugat CÊu tö aN -C 2 i bN2-Ci aC -C 1 i bC1-Ci bi Nit¬ Metan Etan Propan izo-Butan n-Butan izo-Pentan n-Pentan n-Hexan n-Heptan n-Octan n-Nonan n-Decan 0 0,60 1,60 2,00 2,50 2,50 2,60 2,60 2,60 2,60 2,15 2,15 2,15 0 0,60 1,00 1,00 0,95 0,95 0,85 0,85 0,72 0,60 0,50 0,35 0,20 0 0 0,45 0,65 0,66 0,72 0,74 0,80 0,85 0,89 0,93 0,89 0,85 0 0 0,45 0,47 0,48 0,44 0,40 0,35 0,31 0,36 0,40 0,25 0,21 0 0 0,45 0,54 0,63 0,63 0,68 0,68 0,73 0,77 0,79 0,81 0,82 II.5.3. TÝnh h»ng sè c©n b»ng pha theo ph−¬ng ph¸p Starling H»ng sè c©n b»ng pha ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c«ng thøc: Ki = f iL x i f iK x i http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn (II.49) 39 NÕu ký hiÖu ρ lµ tû träng mol cña hçn hîp, A 0 , B 0 , C 0 , b ... lµ çc th«ng sè cña ph−¬ng tr×nh; k ij lµ çc th«ng sè t−¬ng t¸c cña cÊu tö i vµ cÊu tö j , th× ph−¬ng tr×nh x¸c ®Þnh fugat cña cÊu tö i cã d¹ng sau: RTlnf i = RTln( ρRTx i ) − ρ ( B0 + B0i ) RT + ⎡ (C0j C0i )1/2 1/2 + 2 ρ ∑ ⎢− ( A0j A0i ) (1 − k ij ) − (1 − k ij ) 3 + 2 ⎢ T j ⎣ + ( D0j D0i )1/2 T3 (1 − k ij ) − 4 ( E0j D0i )1/2 T4 ⎤ (1 − k ij ) 5 ⎥ + ⎥⎦ + ρ2 ⎡ 3(d 2 d i )1/3 ⎤ ⎥ + T ⎦⎥ + α .β ⎡ 3.(d 2 d i )1/3 ⎤ 3 ρ 5 d ⋅ (a 2 + )(α 2α i )1/3 + ⎥+ T T 5 ⎦⎥ 2 1/2 2 1/3 ⎢3(b bi ) RT − 3(a ai ) − 2 ⎣⎢ ⋅ ⎢3.( a 2 a i )1/3 + 5 ⎣⎢ + 3(c 2 c i )1/3 ρ 2 ⎡1 − exp(− γρ 2 ) exp(− γρ 2 ) ⎤ ⋅⎢ − ⎥ − 2 T2 γρ 2 ⎢⎣ ⎥⎦ − 2c 1/3 ρ 2 ⎛ γ i ⋅ ⎜⎜ γ .T 2 ⎝ γ ⎞ ⎟⎟ ⎠ 1/ 2 ⎧ 1 2 4 ⎤⎫ 2 ⎡ 2 ⎨1 − exp(− γρ )⎢1 + γρ + γ ρ ⎥ ⎬ 2 ⎣ ⎦⎭ ⎩ (II.50) KÕt qu¶ tÝnh to¸n b»ng çc ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau vµ so s¸nh víi kÕt qu¶ thùc nghiÖm nhËn ®−îc cho thÊy sai sè kh«ng qu¸ 5%. Ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n cho kÕt qu¶ phï hîp ®èi víi hÖ cã chøa N 2 , CO 2 vµ H 2 S. II.6. Ph−¬ng ph¸p gi¶n ®å x¸c ®Þnh h»ng sè c©n b»ng pha cña hçn hîp çc hydrocacbon Khi tÝnh to¸n b»ng tay ®Ó x¸c ®Þnh h»ng sè c©n b»ng pha, ng−êi ta th−êng sö dông çc ph−¬ng ph¸p gi¶n ®å. Trong thùc tÕ tÝnh to¸n h»ng sè c©n b»ng pha cña hÖ hydrocacbon tõ C1 ®Õn C10 vµ N2 , phæ biÕn nhÊt lµ sö dông çc ph−¬ng ph¸p NGPA (Natural Gas Processors Association)vµ ph−¬ng ph¸p Neyrey. II.6.1. X¸c ®Þnh h»ng sè c©n b»ng pha theo ph−¬ng ph¸p NGPA §©y lµ mét trong nh÷ng ph−¬ng ph¸p gi¶n ®å ®¬n gi¶n vµ chÝnh x¸c h¬n c¶ ®Ó x¸c ®Þnh K i ®èi víi hÖ hydrocacbon tõ C 1 ®Õn C 10 vµ nit¬. Trong 40 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ph−¬ng ph¸p nµy K i cña çc hydrocacbon ®−îc x¸c ®Þnh b»ng çc gi¶n ®å phô thuéc vµo nhiÖt ®é, ¸p suÊt cña hÖ vµ ¸p suÊt quy tô. Trªn çc gi¶n ®å ®ã trôc hoµnh lµ ¸p suÊt cña hÖ, cßn trôc tung lµ h»ng sè c©n b»ng pha cña cÊu tö nµo ®ã trong hÖ. Trong hÖ trôc to¹ ®é nµy ng−êi ta ® x©y dùng çc ®−êng ®¼ng nhiÖt, chóng gÆp nhau t¹i mét ®iÓm t−¬ng øng víi gi¸ trÞ h»ng sè c©n b»ng pha K = 1 vµ ¸p suÊt chÝnh b»ng ¸p suÊt quy tô cña hÖ. Trªn h×nh II.1 ®−a ra gi¶n ®å h»ng sè c©n b»ng pha K cña çc hydro-cacbon t¹i çc nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt kh¸c nhau. NhiÖt ®é kh«ng ®æi 1 K 1 ¸p suÊt H×nh II.1. H»ng sè c©n b»ng K ë çc nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt kh¸c nhau §èi víi çc hçn hîp kh¸c nhau cã cïng gi¸ trÞ ¸p suÊt quy tô th× gi¸ trÞ h»ng sè c©n b»ng cña çc cÊu tö riªng biÖt cã gi¸ trÞ b»ng nhau t¹i çc gi¸ trÞ ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é b»ng nhau. V× vËy ¸p suÊt quy tô ®−îc sö dông nh− mét th«ng sè cã tÝnh ®Õn ¶nh h−ëng cña thµnh phÇn hçn hîp ®Õn gi¸ trÞ h»ng sè c©n b»ng pha cña hÖ. ¸p suÊt quy tô ®−îc x¸c ®Þnh b»ng ph−¬ng ph¸p Heddlen. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 41 Theo Heddlen, hÖ nhiÒu cÊu tö ®−îc gi¶ thiÕt lµ hÖ gi¶ bËc hai gåm cã cÊu tö nhÑ vµ cÊu tö nÆng, trong ®ã cÊu tö nÆng ®−îc ®Æc tr−ng b»ng nhiÖt ®é tíi h¹n trung b×nh vµ ¸p suÊt tíi h¹n trung b×nh cña tÊt c¶ çc cÊu tö cßn l¹i trong hÖ, trõ cÊu tö nhÑ. Trªn h×nh II.2 lµ gi¶n ®å biÓu diÔn çc gi¸ trÞ h»ng sè c©n b»ng K cña metan ë ¸p suÊt quy tô P qt = 800 psi = 5,5 MPa (1 psi = 6894,76 Pa). y K= x ¸p suÊt, psi H×nh II.2. H»ng sè c©n b»ng pha cña metan ë P qt = 800 psi (5,5 MPa) ¸ p suÊt quy tô cña hÖ ®−îc coi lµ ¸p suÊt tíi h¹n cña hÖ gi¶ bËc 2 ë nhiÖt ®é cña hÖ theo ®−êng cong tíi h¹n cña hÖ gi¶ bËc 2 ® cho. NÕu nhiÖt ®é cña hÖ thÊp h¬n nhiÖt ®é tíi h¹n cña cÊu tö nhÑ th× ¸p suÊt quy tô nhËn gi¸ trÞ ¸p suÊt tíi h¹n cña cÊu tö nhÑ. ¸ p suÊt quy tô ®−îc x¸c ®Þnh theo gi¶n ®å, trªn ®ã biÓu diÔn çc ®−êng cong tíi h¹n cña çc hÖ bËc 2. Tr×nh tù tÝnh to¸n nh− sau: 42 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 1) Cho gi¸ trÞ ¸p suÊt quy tô P qt . 2) Víi gi¸ trÞ ¸p suÊt quy tô ® cho theo gi¶n ®å t−¬ng øng (vÝ dô trªn h×nh II.2 ®èi víi metan ë ¸p suÊt quy tô cña hÖ lµ 800 psi), x¸c ®Þnh h»ng sè c©n b»ng pha cña mçi cÊu tö ë nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cña hÖ. 3) Sö dông gi¸ trÞ h»ng sè c©n b»ng pha võa nhËn ®−îc, tÝnh to¸n thµnh phÇn pha láng c©n b»ng x i cb theo ph−¬ng tr×nh: C ∑ x icb = ∑ 1 + e ⋅ ( Ki i i i − 1) =1 (II.51) trong ®ã: Ci lµ thµnh phÇn hçn hîp ban ®Çu, mol/mol (mol cÊu tö i/mol hçn hîp). e lµ phÇn mol pha h¬i cña hçn hîp, tÝnh b»ng ph−¬ng ph¸p lÆp víi çc gi¸ trÞ phÇn mol cña pha h¬i e chän tr−íc cho ®Õn khi biÓu thøc (II.51) tho¶ m n. 4) Chia pha láng c©n b»ng thµnh hÖ gi¶ bËc 2, trong ®ã cÊu tö thø nhÊt lµ cÊu tö nhÑ nhÊt trong hÖ, cã nång ®é b»ng hoÆc lín h¬n 0,1% mol, cßn cÊu tö thø hai lµ tÊt c¶ çc cÊu tö cßn l¹i. 5) TÝnh to¸n nhiÖt ®é tíi h¹n vµ ¸p suÊt tíi h¹n cña cÊu tö gi¶ thø hai cã khèi l−îng lµ khèi l−îng trung b×nh cña çc cÊu tö cßn l¹i: N ∑ x i′ M i Tci Tc2 = i =2N (II.52) ∑ x i′ Mi i =2 N ∑ x i′ Mi Pci Pc2 = i =2N (II.53) ∑ x i′ M i i =2 6) Trªn h×nh II.3 lµ çc gi¶n ®å m« t¶ cÊu tö gi¶ thø hai cña hÖ t−¬ng øng çc gi¸ trÞ nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt tíi h¹n x¸c ®Þnh ë ®iÓm 5). 7) ¸ p suÊt quy tô theo gi¶n ®å ®ã ®−îc x¸c ®Þnh nh− sau: Sau khi x©y dùng ®−êng cong tíi h¹n ®èi víi tr−êng hîp ®ang xÐt t¹i gi¸ trÞ t−¬ng øng víi nhiÖt ®é cña hÖ, gi¸ trÞ trªn trôc tung lµ ¸p suÊt quy tô cña hÖ cÇn t×m. 8) So s¸nh gi¸ trÞ ¸p suÊt quy tô víi gi¸ trÞ ® cho ban ®Çu. NÕu hai gi¸ trÞ kh«ng trïng nhau, lÆp l¹i çc phÐp tÝnh tõ ®iÓm 2) ®Õn ®iÓm 7), víi gi¸ trÞ ¸p suÊt quy tô míi. Lµm cho ®Õn khi gi¸ trÞ P qt tÝnh to¸n vµ gi¸ trÞ P qt chän ban ®Çu trïng nhau víi sai sè 8 ... 12% lµ cã thÓ chÊp nhËn ®−îc. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 43 44 ¸p suÊt, psi ¸p suÊt quy tô ë 2120F NhiÖt ®é tíi h¹n cña cÊu tö gi¶ - nÆng http://www.ebook.edu.vn NhiÖt ®é, 0 F H×nh II.3. Gi¶n ®å ®Ó x¸c ®Þnh ¸p suÊt quy tô cña hÖ hydrocacbon Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Khi hÖ hydrocacbon ë ¸p suÊt 1,6 ... 2 MPa, ¶nh h−ëng cña ¸p suÊt quy tô ®Õn gi¸ trÞ K kh«ng ®¸ng kÓ. V× vËy ë ¸p suÊt thÊp cã thÓ kh«ng cÇn x¸c ®Þnh gi¸ trÞ P qt vµ sö dông gi¶n ®å x¸c ®Þnh K ë gi¸ trÞ P qt bÊt kú. Trªn c¬ së kÕt qu¶ nghiªn cøu, ng−êi ta ® ®−a ra ph−¬ng ph¸p chän P qt ®Ó ®¬n gi¶n qu¸ tr×nh tÝnh to¸n nh− sau: Khi tÝnh to¸n s¬ ®å c«ng nghÖ chÕ biÕn khÝ ®ång hµnh cã hµm l−îng C ≥ 3 = 150 ... 640 g/m 3 b»ng ph−¬ng ph¸p ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp, tuú thuéc vµo ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é t¹i c«ng ®o¹n t¸ch, cã thÓ chän gi¸ trÞ P qt nh− sau: • P qt = 2000 psi khi ¸p suÊt cña hÖ xÊp xØ 2 MPa, T = −20 0 C. • P qt = 1500 psi khi hÖ cã P = 2 ... 5 MPa, T = 0 ... −40 0 C. • P qt = 1000 psi khi hÖ cã P = 2 ... 5 MPa, T = −40 ... −70 0 C. Trong tÝnh to¸n qu¸ tr×nh t¸ch etan, ¸p suÊt quy tô trªn ®Ønh cét cã thÓ lÊy b»ng 1000 psi, cßn ë ®¸y cét b»ng 800 psi. §Ó tÝnh to¸n ®iÓm s−¬ng cho khÝ kh« nhËn ®−îc tõ th¸p t¸ch etan lµm viÖc ë ¸p suÊt 5 ... 6 MPa (chÝnh lµ ¸p suÊt trªn ®−êng èng dÉn khÝ ®i sö dông), h»ng sè c©n b»ng pha ®−îc x¸c ®Þnh ë ¸p suÊt quy tô P qt = 1500 psi. Trong s¬ ®å c«ng nghÖ chÕ biÕn khÝ ®ång hµnh b»ng ph−¬ng ph¸p hÊp thô nhiÖt ®é thÊp, ng−êi ta sö dông chÊt hÊp thô lµ hçn hîp hydrocacbon ph©n ®o¹n benzin hoÆc keroxen. Khi tÝnh to¸n cã thÓ chän gi¸ trÞ ¸p suÊt quy tô nh− sau: • Víi qu¸ tr×nh hÊp thô sö dông chÊt hÊp thô nhÑ cã khèi l−îng ph©n tö 100, chän P qt = 2000 psi. Khi sö dông chÊt hÊp thô cã khèi l−îng ph©n tö 140 ... 160, chän Pqt = 4000 psi. Trong thùc tÕ ng−êi ta kiÓm tra ®é chÝnh x¸c cña P qt ® chän theo thµnh phÇn pha láng ë ®Üa d−íi cïng cña th¸p hÊp thô. • §Ó tÝnh ®iÓm s−¬ng cña khÝ nhËn ®−îc tõ ®Ønh th¸p hÊp thô, ng−êi ta tÝnh h»ng sè c©n b»ng còng ë ¸p suÊt quy tô nh− khi x¸c ®Þnh h»ng sè c©n b»ng trong th¸p hÊp thô. §èi víi qu¸ tr×nh t¸ch etan thùc hiÖn trong th¸p hÊp thô bèc h¬i, ¸p suÊt quy tô trong phÇn hÊp thô ®−îc chän nh− trong th¸p hÊp thô; cßn trong phÇn bèc h¬i cña th¸p, th× khi sö dông chÊt hÊp thô nhÑ chän P qt = 1000 psi, khi sö dông chÊt hÊp thô 140 ... 160 th× chän P qt = 2000 psi. • Víi qu¸ tr×nh nh¶ hÊp thô thùc hiÖn ë ¸p suÊt 0,4 ... 2,0 MPa, chän gi¸ trÞ P qt kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn kÕt qu¶ tÝnh to¸n h»ng sè c©n b»ng. H»ng sè c©n b»ng pha cña çc cÊu tö nÆng ®−îc x¸c ®Þnh tõ h»ng sè c©n b»ng pha ® biÕt cña çc cÊu tö nhÑ b»ng çch: Trªn trôc hoµnh lµ gi¸ trÞ khèi l−îng ph©n tö http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 45 cña hai hoÆc ba cÊu tö nhÑ ® cã gi¸ trÞ h»ng sè c©n b»ng pha K, cßn trôc tung lµ gi¸ trÞ logarit K cña çc cÊu tö ®ã, qua çc ®iÓm nhËn ®−îc ®−êng th¼ng. Gi¸ trÞ logarit K cña cÊu tö nÆng ®−îc x¸c ®Þnh t−¬ng øng víi khèi l−îng ph©n tö cña nã. H»ng sè c©n b»ng pha cña CO 2 ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: K CO2 = K CH 4 ⋅ K C 2 H6 II.6.2. X¸c ®Þnh K b»ng ph−¬ng ph¸p Neyrey Neyrey ® ®−a ra mét ph−¬ng ph¸p ®¬n gi¶n vµ ®ñ chÝnh x¸c ®Ó x¸c ®Þnh h»ng sè c©n b»ng pha cña çc hydrocacbon parafin vµ olefin trong kho¶ng réng nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt. C¬ së cña ph−¬ng ph¸p lµ sù phô thuéc tuyÕn tÝnh cña logarit h»ng sè c©n b»ng pha (lgK) vµo nhiÖt ®é s«i cña cÊu tö. H»ng sè c©n b»ng pha K ®−îc x¸c ®Þnh nhê ba gi¶n ®å. Trªn gi¶n ®å thø nhÊt (h×nh II.4), lµ çc ®−êng ®¼ng ¸p, t−¬ng øng víi çc gi¸ trÞ ¸p suÊt quy tô kh¸c nhau. Tõ gi¶n ®å ®ã x¸c ®Þnh ®−îc gi¸ trÞ h»ng sè K 0 t−¬ng øng víi gi¸ trÞ P vµ P qt . K0 ¸p suÊt, psi H×nh II.4. Gi¶n ®å ®Ó x¸c ®Þnh h»ng sè K 0 46 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Trªn gi¶n ®å thø hai (h×nh II.5) cã hai thang gi¸ trÞ nhiÖt ®é lµm viÖc vµ gi¸ trÞ th«ng sè S song song víi trôc tung, cßn trôc hoµnh lµ gi¸ trÞ ¸p suÊt quy tô, trong gi¶n ®å lµ çc ®−êng ®¼ng ¸p suÊt lµm viÖc. Tõ gi¶n ®å nµy x¸c ®Þnh gi¸ trÞ th«ng sè S lµ hµm cña T, P vµ P qt .Trªn trôc hoµnh x¸c ®Þnh gi¸ trÞ P qt , tõ ®ã kÎ ®−êng vu«ng gãc, c¾t ®−êng ®¼ng ¸p t−¬ng øng víi ¸p suÊt cña hÖ. Tõ giao ®iÓm kÎ ®−êng n»m ngang cho ®Õn khi c¾t trôc tung. Tõ giao ®iÓm trªn trôc tung nèi víi ®iÓm t−¬ng øng víi nhiÖt ®é lµm viÖc cña hÖ trªn thang nhiÖt ®é, giao ®iÓm cña ®−êng kÎ nµy víi thang S cho ta gi¸ trÞ th«ng sè S cÇn t×m. NhiÖt ®é 0 F ¸p suÊt lµm viÖc cña hÖ ¸p suÊt quy tô, psi H×nh II.5. Gi¶n ®å ®Ó x¸c ®Þnh th«ng sè S Theo gi¶n ®å thø ba (h×nh II.6) x¸c ®Þnh gi¸ trÞ h»ng sè c©n b»ng K nh− sau: Trªn trôc tung lµ gi¸ trÞ K 0 (x¸c ®Þnh tõ gi¶n ®å thø nhÊt trªn h×nh II.4) vµ K 0 /10 , cßn trªn trôc hoµnh lµ gi¸ trÞ S (x¸c ®Þnh tõ gi¶n ®å thø hai) cña hÖ ® cho. Tõ gi¶n ®å x¸c ®Þnh ®iÓm cã to¹ ®é (S, K 0 /10). Qua ®iÓm ®ã vµ http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 47 ®iÓm (0, K 0 ) trªn trôc tung kÎ ®−êng th¼ng. Tõ çc ®iÓm trªn çc trôc hoµnh (trôc nhiÖt ®é s«i hoÆc trôc çc cÊu tö) t−¬ng øng víi nhiÖt ®é s«i hoÆc tªn cña cÊu tö ® cho, kÎ ®−êng vu«ng gãc c¾t ®−êng th¼ng kÓ trªn, gi¸ trÞ cña giao ®iÓm chÝnh lµ gi¸ trÞ h»ng sè c©n b»ng pha cña cÊu tö t−¬ng øng. 100 60 40 20 10 6,0 4,0 H»ng sè c©n b»ng pha K 2,0 1,0 0,6 0,4 0,2 0,1 0,06 0,04 0,02 Decan Nonan Octan Heptan Hexan 0,002 izo-Pentan n-Pentan 0,005 0,004 Metan ≥ 0 o F −50 −100 Etylen Etan Propylen Propan izo-Butan n-Butan 0,01 400 300 100 −0 Th«ng sè S H×nh II.6. Gi¶n ®å x¸c ®Þnh h»ng sè c©n b»ng pha 48 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 12 10 8 6 NhiÖt ®é s«i, 0 F 4 −100 2 0 −200 0,001 Sau khi x¸c ®Þnh ®−îc K còng kiÓm tra gi¸ trÞ P qt ® chän t−¬ng tù nh− trong ph−¬ng ph¸p NGPA ® nãi trªn. Tãm l¹i tr×nh tù x¸c ®Þnh h»ng sè c©n b»ng pha theo ph−¬ng ph¸p Neyrey nh− sau: 1) Tõ gi¶n ®å h×nh II.4 x¸c ®Þnh K 0 t−¬ng øng víi P vµ P qt . 2) Tõ gi¶n ®å h×nh II.5 x¸c ®Þnh gi¸ trÞ S. 3) Tõ gi¶n ®å h×nh II.6 x¸c ®Þnh gi¸ trÞ K. 4) KiÓm tra gi¸ trÞ P qt ®−îc chän t−¬ng tù nh− ph−¬ng ph¸p NGPA. B¶ng II.8 d−íi ®©y so s¸nh ®é chÝnh x¸c cña çc ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh h»ng sè c©n b»ng K. B¶ng II.8. So s¸nh ®é chÝnh x¸c cña çc ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh K Ph−¬ng ph¸p tÝnh Sai sè trung b×nh Myers vµ Lenoir 7,0 NGPA 8,5 Rzaca 9,3 Winn 10,0 Neyrey 7,8 II.6.3. VÝ dô tÝnh h»ng sè c©n b»ng VÝ dô II.1. TÝnh h»ng sè c©n b»ng cña hçn hîp cã thµnh phÇn cho trong b¶ng d−íi ®©y ë P = 3,4 MPa (hay 493,1 psi); T = −30 0 C (hay −22 0 F). a) TÝnh theo ph−¬ng ph¸p NGPA 1) Chän ¸p suÊt quy tô P qt = 1500 psi. 2) Theo gi¶n ®å NGPA, víi ¸p suÊt quy tô 1500 psi vµ çc th«ng sè cña hÖ, x¸c ®Þnh ®−îc h»ng sè c©n b»ng pha ®èi víi tÊt c¶ çc cÊu tö: K C = 3,45; 1 K C = 0,46; K C = 0,113; K n-C = 0,034 ; K n-C = 0,0095. 2 3 4 5 3) X¸c ®Þnh thµnh phÇn pha láng c©n b»ng theo ph−¬ng tr×nh (II.51): N CÊu tö Ci CH 4 0,8745 C2H6 0,0586 C3H8 0,0372 n-C 4 H 10 0,0212 n-C 5 H 12 0,0085 1,0000 N Ci =1 i =1 1 + e( K i − 1) ∑ xi = ∑ i =1 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 49 TÝnh to¸n b»ng ph−¬ng ph¸p lÆp x¸c ®Þnh gi¸ trÞ cña e khi biÕt phÇn mol cña pha khÝ. KÕt qu¶ nhËn ®−îc thµnh phÇn pha láng x i (mol/mol) nh− sau: C 1 lµ 0,2635; C 2 lµ 0,1199; C 3 lµ 0,2321; n-C 4 lµ 0,2480; n-C 5 lµ 0,1365 víi e = 0,9467. Pha láng võa tÝnh ®−îc chuyÓn thµnh hÖ gi¶ hai cÊu tö. CÊu tö nhÑ lµ metan, cßn cÊu tö thø hai lµ çc cÊu tö cßn l¹i cña hÖ. Tõ ph−¬ng tr×nh (II.52) vµ (II.53) tÝnh nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt tíi h¹n cña cÊu tö thø hai ®−a ra ë trªn tÝnh ®−îc T c 2 vµ P c 2 . KÕt qu¶ tÝnh to¸n ®−îc xem ë b¶ng II.9 d−íi ®©y. B¶ng II.9. KÕt qu¶ tÝnh to¸n CÊu tö xi Mi xiMi Tci xiMiTci Pci xiMiPci CH 4 0,2635 − − − − − − C2H6 0,1199 30 3,60 90,3 325,08 C3H8 0,2321 44 10,21 106,6 n-C 4 H 10 0,2480 58 14,39 n-C 5 H 12 0,1365 72 9,83 1,0000 707 2545,2 2109,39 614,3 6272,0 306,0 4403,34 549,5 7878,53 386,0 3794,38 486,3 4780,33 38,03 10632,19 21476,06 KÕt qu¶ nhËn ®−îc P qt = 1500 psi. KÕt qu¶ tÝnh to¸n trïng víi gi¸ trÞ P qt chän ban ®Çu. Nh− vËy çc h»ng sè c©n b»ng x¸c ®Þnh ®−îc lµ ®óng. b) TÝnh theo ph−¬ng ph¸p Neyrey 1) Theo gi¶n ®å (K 0 − P) chän P qt = 1500 psi vµ P = 500 psi x¸c ®Þnh ®−îc K 0 = 7. 2) Theo gi¶n ®å x¸c ®Þnh th«ng sè S víi: P qt = 1500 psi, P = 500 psi, T = −22 F, S = 1,7. 0 3) Tõ gi¸ trÞ K 0 vµ S trªn gi¶n ®å (K − S), T b»ng ph−¬ng ph¸p ® m« t¶ ë trªn x©y dùng ®−êng th¼ng, tõ ®ã x¸c ®Þnh h»ng sè c©n b»ng pha cña çc cÊu tö K C = 3,5 ; K C = 0,465 ; K C = 0,114 ; K n-C = 0,032 ; K n-C = 0,0080. 1 2 3 4 5 KiÓm tra gi¸ trÞ P qt ® chän t−¬ng tù nh− trong ph−¬ng ph¸p NGPA. 50 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn II.7. øng dông cña h»ng sè c©n b»ng pha Cã 3 lo¹i bµi to¸n sö dông h»ng sè c©n b»ng pha K ®Ó tÝnh to¸n: - TÝnh ®−êng cong ®iÓm bät trªn ®−êng bao pha. - TÝnh ®−êng cong ®iÓm s−¬ng trªn ®−êng bao pha. - TÝnh çc thµnh phÇn láng h¬i t¹i çc gi¸ trÞ P vµ T bÊt kú bªn trong ®−êng bao pha. II.7.1. X¸c ®Þnh ®iÓm bät §iÓm bät ®−îc ®Þnh nghÜa lµ ®iÒu kiÖn mµ t¹i ®ã h¬i ®−îc ng−ng tô hoµn toµn thµnh láng, chØ tån t¹i duy nhÊt mét bät khÝ. PhÇn mol cña pha láng chÝnh lµ phÇn mol cña hçn hîp. §iÒu kiÖn ®Ó h¬i ®−îc ng−ng tô hoµn toµn: Σ Kixi = Σ yi = 1 (II.54) Tr×nh tù tÝnh to¸n nh− sau: 1) Chän nhiÖt ®é khi biÕt ¸p suÊt (hoÆc chän ¸p suÊt khi biÕt nhiÖt ®é). 2) T×m çc gi¸ trÞ K i ë P vµ T ® cho vµ ® chän. 3) Nh©n K i t×m ®−îc ë b−íc 2 víi x i t−¬ng øng (biÓu thøc II.54). 4) NÕu tæng çc gi¸ trÞ K i x i nhËn ®−îc ë b−íc 3 b»ng 1 cã nghÜa lµ gi¸ trÞ T (hoÆc P) ® chän lµ ®óng. NÕu kh«ng th× lÆp l¹i tõ b−íc 1 ®Õn b−íc 3 cho ®Õn khi Σ K i x i = 1 th× kÕt thóc. VÝ dô II.2. X¸c ®Þnh ®iÓm bät cña hçn hîp cã thµnh phÇn cho trong b¶ng ë 4 MPa (580 psi). Coi ph©n ®o¹n C 7+ cã tÝnh chÊt t−¬ng tù C 8 . CÊu tö xi CO 2 1,25 1,50 1,880 H2S 0,50 0,41 0,210 C1 21,36 3,48 74,330 TÝnh lÆp víi çc gi¸ trÞ T ®−îc chän sao cho ΣK i x i = 1 (hoÆc 100). Trong bµi vÝ dô nµy nhiÖt ®é ®óng lµ T = −14 0 C (7 0 F). KÕt qu¶ tÝnh to¸n víi gi¸ trÞ T ®óng cho trong b¶ng. C2 36,78 0,58 21,330 C3 10,21 0,16 1,630 i-C 4 6,38 0,063 0,400 n-C 4 9,84 0,043 0,420 i-C 5 2,63 0,017 0,040 n-C 5 4,01 0,012 0,048 C6 3,90 0,0036 0,014 C7+ 3,14 0,00033 0,001 Ki Kixi 100,30 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 51 II.7.2. X¸c ®Þnh ®iÓm s−¬ng §iÓm s−¬ng ®−îc ®Þnh nghÜa lµ toµn bé hÖ ë tr¹ng th¸i h¬i vµ chØ tån t¹i duy nhÊt mét giät láng rÊt nhá. Trong tr−êng hîp nµy thµnh phÇn cña hçn hîp b»ng thµnh phÇn pha h¬i y i . Nh− vËy ®iÒu kiÖn ®Ó hÖ hoµn toµn ë tr¹ng th¸i h¬i: Σ yi / Ki = Σ xi = 1 (II.55) VÝ dô II.3. X¸c ®Þnh ®iÓm s−¬ng cña hçn hîp cã thµnh phÇn cho trong b¶ng ë 4 MPa (580 psi). Coi ph©n ®o¹n C 7+ cã tÝnh chÊt t−¬ng tù C 8 . TÝnh lÆp víi çc gi¸ trÞ T ®−îc chän sao cho Σ y i / K i = 1 (hoÆc 100). Trong bµi vÝ dô nµy nhiÖt ®é ®óng lµ T = 153 0 C (307,4 0 F). KÕt qu¶ tÝnh to¸n víi gi¸ trÞ T ®óng cho trong b¶ng. CÊu tö CO 2 H2S C1 C2 C3 i-C 4 n-C 4 i-C 5 n-C 5 C6 C7+ yi 1,25 0,50 21,36 36,78 10,21 6,38 9,84 2,63 4,01 3,90 3,14 Ki 4,83 2,38 6,36 2,84 1,57 1,02 0,86 0,55 0,49 0,28 0,097 y i /K i =x i 0,26 0,21 3,36 12,95 6,50 6,25 11,44 4,78 8,18 13,93 32,37 100,23 Hçn hîp ®−a ra trong hai vÝ dô trªn lµ khÝ bÐo. PhÇn tr¨m mol cña metan thÊp. Chó ý r»ng trong cét K i x i ®èi víi metan cã gi¸ trÞ lín nhÊt. NÕu phÇn mol metan lín h¬n sÏ cã ¶nh h−ëng rÊt ®¸ng kÓ ®Õn kÕt qu¶ nhËn ®−îc. Víi vÝ dô x¸c ®Þnh ®iÓm s−¬ng, gi¸ trÞ trong cét y i / K i cña C 7+ cã gi¸ trÞ lín nhÊt. TÝnh to¸n ®iÓm s−¬ng vèn ® kÐm chÝnh x¸c h¬n so víi tÝnh to¸n ®iÓm bät, trªn thùc tÕ ®èi víi khÝ gÇy, chøa rÊt Ýt çc cÊu tö nÆng, sai sè cña phÐp tÝnh cµng lín. II.7.3. TÝnh thµnh phÇn láng h¬i bªn trong ®−êng bao pha Môc ®Ých cña phÐp tÝnh nµy ®Ó x¸c ®Þnh thµnh phÇn pha láng vµ pha h¬i ë tr¹ng th¸i c©n b»ng trong hÖ hai pha, c©n b»ng vËt liÖu toµn hÖ: F=V+L C©n b»ng vËt liÖu víi tõng cÊu tö: FC i = Vy i + Lx i trong ®ã: F lµ sè mol nguyªn liÖu vµo th¸p t¸ch; 52 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn (II.56) (II.57) V lµ sè mol pha khÝ nhËn ®−îc tõ F mol nguyªn liÖu; L lµ sè mol pha láng nhËn ®−îc tõ F mol nguyªn liÖu; C i lµ phÇn mol cÊu tö i trong dßng nguyªn liÖu; y i lµ phÇn mol cÊu tö i trong dßng khÝ V; x i lµ phÇn mol cÊu tö i trong dßng láng L; Gi¶ sö F = 1, ta cã C i = y i V + x i L §ång thêi, theo ®Þnh nghÜa h»ng sè c©n b»ng pha cã y i = Kx i , tõ ®ã ta cã: Ci ; L + V Ki xi = yi = Ci V + (L K i ) (II.58) Tæng phÇn mol cña tÊt c¶ çc cÊu tö ph¶i b»ng 1, do ®ã: Ci ∑ x = ∑ L +V K Ci ∑ y = ∑ V + (L K ) = 1 =1 ; i i (II.59) i i B»ng ph−¬ng ph¸p lÆp, chän çc gi¸ trÞ L hoÆc V sao cho çc biÓu thøc trªn lµ ®óng. MÆt kh¸c, cã thÓ viÕt Σy i − Σx i = 0 Ci (K i − 1) =0 i − 1) + 1 ∑ y − ∑ x = ∑ V (K i i (II.60) BiÓu thøc (II.60) lµ biÓu thøc tæng qu¸t nhÊt th−êng ®−îc sö dông trong lËp tr×nh tÝnh to¸n trªn m¸y vi tÝnh. Tr×nh tù tÝnh to¸n nh− sau: 1) T×m K ë gi¸ trÞ ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é cña hÖ hai pha (®iÒu kiÖn cña th¸p t¸ch). 2) Chän V hoÆc L. 3) TÝnh çc biÓu thøc (II.59) hoÆc (II.60). 4) NÕu biÓu thøc tho¶ m n, th× phÐp tÝnh hoµn thµnh. NÕu ch−a ®óng th× lÆp l¹i tõ b−íc 2 ®Õn b−íc 4. 5) TÝnh thµnh phÇn phÇn mol trong pha láng xi vµ trong pha h¬i y i . 6) TÝnh sè mol cña cÊu tö i (®−îc ký hiÖu lµ Y i ) trong V mol pha h¬i. TÝnh sè mol cña cÊu tö i (®−îc ký hiÖu lµ X i ) trong L mol pha láng. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 53 VÝ dô II.4. TÝnh thµnh phÇn vµ l−îng mol pha láng, pha h¬i cña th¸p t¸ch ë 4 MPa (580 psi) vµ 100 0 C (212 0 F). Thµnh phÇn nguyªn liÖu C i cho theo phÇn tr¨m mol, nghÜa lµ Σ C i = 100. Tr−íc hÕt x¸c ®Þnh K i cña çc cÊu tö trong hÖ. Çc gi¸ trÞ nhËn ®−îc ®iÒn vµo cét K i (cét thø 3 trong b¶ng) Trong b−íc 2, chän V (hoÆc L). TÝnh çc sè h¹ng trong çc biÓu thøc (II.59) hoÆc (II.60). PhÐp tÝnh lÆp ®−îc thùc hiÖn cho ®Õn khi çc biÓu thøc (II.59) hoÆc (II.60) ®−îc tho¶ m n. Trong vÝ dô nµy, gi¸ trÞ ®óng cña V = 0,770. KÕt qu¶ tÝnh ®−îc ghi trong b¶ng II.10. B¶ng II.10. KÕt qu¶ tÝnh to¸n cña vÝ dô II.4. CÊu tö Ci Ki yi − xi xi yi Yi CO 2 1,25 4,050 1,139 0,373 1,512 0,086 1,164 H2S 0,50 1,740 0,236 0,319 0,554 0,073 0,427 C1 21,36 5,950 21,974 4,439 26,413 1,021 20,338 C2 36,78 2,160 22,535 19,427 41,962 4,468 32,311 C3 10,21 1,030 0,299 9,979 10,279 2,295 7,915 i-C 4 6,38 0,600 −3,688 9,220 5,532 2,282 4,260 n-C 4 9,84 0,490 −8,264 16,203 7,940 3,727 6,114 i-C 5 2,63 0,280 −4,250 5,903 1,653 1,358 1,273 n-C 5 4,01 0,240 −7,348 9,668 2,320 2,224 1,786 C6 3,90 0,120 −10,646 12,098 1,452 2,783 1,118 C7+ 3,14 0,031 −11,987 12,370 0,383 2,845 0,295 0,000 100,000 100,000 23,000 77,000 100,00 C©n b»ng vËt liÖu cña th¸p t¸ch: F = V + L = Σ Yi + L = Σ X i trong ®ã: Yi = yiV ; X i = xi L . 54 Xi http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Ch−¬ng III th«ng sè nhiÖt ®éng cña çc hydrocacbon riªng biÖt vμ hçn hîp cña chóng Khi tÝnh to¸n nhiÖt ®éng häc cña qu¸ tr×nh chÕ biÕn khÝ, ng−êi ta th−êng sö dông çc ®¹i l−îng nhiÖt ®éng sau: ¸p suÊt, nhiÖt ®é, ®é chÞu nÐn, thÓ tÝch riªng, träng l−îng riªng, entanpi, entropi, nhiÖt dung, ®é dÉn nhiÖt, ®é nhít. Trong ch−¬ng nµy sÏ xem xÐt tÝnh chÊt nhiÖt ®éng cña çc hydrocacbon riªng biÖt vµ hçn hîp cña chóng, vµ tr×nh bµy mét sè ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh çc tÝnh chÊt ®ã. ¸p suÊt, thÓ tÝch, nhiÖt ®é vµ hÖ sè ®é chÞu nÐn th−êng n»m trong ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i. NhiÒu tÝnh chÊt cña çc hydrocacbon ®−îc x¸c ®Þnh trªn c¬ së lý thuyÕt tr¹ng th¸i t−¬ng hîp, v× vËy cÇn ph¶i biÕt çc th«ng sè tíi h¹n cña çc cÊu tö vµ hçn hîp cña chóng. III.1. NhiÖt ®é s«i vμ ¸p suÊt h¬i b o hoμ NhiÖt ®é s«i cña hydrocacbon tõ C1 ®Õn C 10 ® ®−îc x¸c ®Þnh b»ng thùc nghiÖm, sè liÖu ®−a ra trong b¶ng III.1. NhiÖt ®é s«i cña çc hydrocacbon parafin tinh khiÕt tõ C 1 ®Õn C 20 ë ®iÒu kiÖn tiªu chuÈn cã thÓ tÝnh chÝnh x¸c ®Õn ± 1 K theo ph−¬ng tr×nh: Ts = (193,3 − 0,05n) ⋅ (n − 1) 0,91 − 121 n + 232,7 (III.1) trong ®ã n lµ sè nguyªn tö cacbon trong ph©n tö hydrocacbon. ¸p suÊt h¬i b o hoµ cña hydrocacbon tinh khiÕt cã thÓ x¸c ®Þnh theo ph−¬ng tr×nh sau khi biÕt T s , T c , P c : lgPh = [ β − 0,01500 + 1,397.(T h − δ ) 2 + 0,581(T h − δ )]. (1 − 1 ) Th (III.2) trong ®ã: P h = P bh /P c δ = − 0,1018 + 0,3806. β − 0,02861. β 2 β = T h .lg(0,96784 . P C ).(1 − T h ) T h = T s /T c ¸p suÊt h¬i b o hoµ cña çc cÊu tö riªng biÖt cã thÓ x¸c ®Þnh b»ng ph−¬ng ph¸p ®¬n gi¶n h¬n, ®ã lµ ph−¬ng ph¸p gi¶n ®å, trong ®ã ng−êi ta sö dông gi¶n ®å phô thuéc ¸p suÊt h¬i b o hoµ vµo nhiÖt ®é (h×nh III.1 vµ h×nh III.2). http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 55 56 B¶ng III.1. Çc tÝnh chÊt ho¸ lý cña hydrocacbon vµ N2 , CO 2 , H 2 S CÊu tö Metan Etan Propan Butan izo-Butan Pentan izo-Pentan Hexan Heptan Octan Nonan Decan Nit¬ Cacbondioxit Hydrosunfua C«ng thøc Khèi l−îng ph©n tö NhiÖt ®é s«i 0 C NhiÖt ®é C K ¸p suÊt, MPa -82,60 32,28 96,67 152,01 134,98 196,50 187,24 234,20 267,00 295,61 321,41 344,4 −149,89 31,05 100,4 190,55 305,43 369,82 425,16 408,13 469,65 460,39 507,35 540,15 568,76 594,56 617,5 126,26 304,20 373,6 4,61 4,88 4,25 3,80 3,65 3,37 3,38 3,01 2,74 2,49 2,29 2,10 3,40 7,38 9,01 K −161,49 111,66 CH 4 16,043 −88,63 184,52 C2H6 30,070 −42,07 231,08 C3H8 44,097 −0,50 272,65 C 4 H 10 58,124 −11,73 261,42 58,124 C 4 H 10 309,074 36,074 72,151 C 5 H 12 301,00 27,852 72,151 C 5 H 12 341,89 68,740 86,178 C 6 H 14 371,577 98,427 100,205 C 7 H 16 398,815 125,665 114,232 C 8 H 18 423,948 150,798 128,259 C 9 H 20 http://www.ebook.edu.vn 447,272 174,112 142,286 C 10 H 22 77,352 28,010 −195,798 N2 −78,477 194,673 44,010 CO 2 −60,341 212,809 34,080 H2S Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Çc th«ng sè tíi h¹n 0 ThÓ tÝch riªng, HÖ sè chÞu nÐn z cm 3 /g 6,1985 4,9126 4,5568 4,3945 4,5256 4,3071 4,2759 4,2759 4,2572 4,2572 4,2010 4,1885 3,2147 3,1723 − 0,288 0,285 0,281 0,274 0,283 0,262 0,270 0,264 0,263 0,259 0,254 0,247 0,2916 0,274 0,283 ¸p suÊt, kPa NhiÖt ®é, 0C ¸p suÊt, kPa H×nh III.1. ¸p suÊt h¬i b·o hoµ cña çc hydrocacbon nhÑ ë nhiÖt ®é thÊp NhiÖt ®é, 0C H×nh III.2. ¸p suÊt h¬i b·o hoµ cña çc hydrocacbon no m¹ch th¼ng http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 57 III.2 Çc ®¹i l−îng tíi h¹n Çc ®¹i l−îng tíi h¹n: T c , P c , V c cña çc hydrocacbon riªng biÖt nhËn ®−îc b»ng thùc nghiÖm xem ë b¶ng III.2. Víi çc hydrocacbon tõ C 1 ®Õn C 15 cã thÓ x¸c ®Þnh nhiÖt ®é tíi h¹n (chÝnh x¸c tíi ± 1 K) theo ph−¬ng tr×nh: Tc = 391,7(n − 1) 2,645 + (n − 1) 0,785 + 190,7 (III.3) trong ®ã n lµ sè nguyªn tö cacbon cña cÊu tö. ¸ p suÊt tíi h¹n cña hydrocacbon tõ C 1 ®Õn C 20 (trõ C 18 ) cã thÓ x¸c ®Þnh chÝnh x¸c tíi ± 0,05 MPa theo ph−¬ng tr×nh: Pc = 49,51 7,977 + n1,2 (III.4) trong ®ã n lµ sè nguyªn tö cacbon cña cÊu tö. §Ó x¸c ®Þnh thÓ tÝch tíi h¹n cña çc hydrocacbon tõ C 3 ®Õn C 16 (chÝnh x¸c ®Õn 4 cm 3 /mol) cã thÓ ¸p dông ph−¬ng tr×nh: V c = 58,0 n + 22 (III.5) Khi kh«ng thÓ t×m ®−îc çc ®¹i l−îng tíi h¹n cña hçn hîp trong çc b¶ng sè liÖu, chóng ta cã thÓ tÝnh to¸n b»ng nhiÒu çch khi ® biÕt çc ®¹i l−îng thùc cña çc cÊu tö. Còng t−¬ng tù nh− vËy, çc th«ng sè a, b, c, ... trong çc ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i còng ®−îc x¸c ®Þnh b»ng çch ®Æc biÖt ®èi víi hçn hîp. Çc ®¼ng thøc cã mÆt çc th«ng sè cña hçn hîp ®−îc gäi lµ çc ®Þnh luËt kÕt hîp hoÆc ®Þnh luËt hçn hîp. Khi tÝnh to¸n kh«ng quan t©m ®Õn d¹ng chÝnh x¸c cña nã mµ dùa trªn c¬ së gi¶ thiÕt r»ng çc tÝnh chÊt cña hçn hîp lµ trung b×nh céng tÝnh chÊt cña çc cÊu tö riªng biÖt t¹o thµnh hçn hîp. §Þnh luËt ®−îc ¸p dông víi çc ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i Van der Walls, Redlich - Kwong, Peng - Robinson ®Ó x¸c ®Þnh th«ng sè a vµ b nh− sau: a m = ∑ ∑ x i x j (a i a j )1/2 (1 − k ij ) i j b m = ∑ x i bi i trong ®ã: a m , b m lµ th«ng sè a, b cña hçn hîp; a i , a j lµ th«ng sè a, b cña cÊu tö i vµ j; http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 58 x i , x j lµ phÇn mol cña cÊu tö i vµ j trong hçn hîp; k ij lµ th«ng sè t−¬ng t¸c bËc hai. Nh− vËy çc th«ng sè a m vµ b m cña hçn hîp ®−îc x¸c ®Þnh trªn c¬ së çc th«ng sè a vµ b cña çc cÊu tö tinh khiÕt. Víi çc ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i nãi trªn, ®Þnh luËt hçn hîp lµ tæng cña çc cÆp bËc 2. VÝ dô hçn hîp bèn cÊu tö sÏ gåm cã 6 cÆp bËc 2... Th«ng sè t−¬ng t¸c bËc hai k ij kh«ng ph¶i lµ th«ng sè lý thuyÕt mµ lµ th«ng sè thùc nghiÖm ®−îc sö dông ®Ó hiÖu chØnh trong çc ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i. Çc gi¸ trÞ tíi h¹n t×m ®−îc tõ çc ®Þnh luËt hçn hîp kh«ng ph¶i lµ çc gi¸ trÞ thùc, mµ lµ çc gi¸ trÞ gi¶ tíi h¹n, th−êng ®−îc ký hiÖu lµ T c ’ vµ P c ’. Nh− vËy gi¸ trÞ gi¶ tíi h¹n kh«ng ph¶i lµ mét ®iÓm trªn ®−êng cong c©n b»ng pha, nã chØ lµ th«ng sè t−¬ng quan sö dông kh¸i niÖm tr¹ng th¸i t−¬ng hîp. Tr¹ng th¸i t−¬ng hîp lµ tr¹ng th¸i cã cïng çc th«ng sè rót gän (h×nh III.3). 1000 0,1000 100 ¸p suÊt rót gän, P r 1,0000 ¸p suÊt, kPa 10000 Metan Propan 10 1 -200 -150 -100 -50 0 50 Metan 0,0100 = T TC Pr = P PC Propan 0,0010 0,0001 0,20 100 Tr 0,40 0 NhiÖt ®é, C 0,60 0,80 1,00 NhiÖt ®é rót gän, T a) b) H×nh III.3. ¸p suÊt h¬i vµ ¸p suÊt rót gän cña metan vµ propan Çc th«ng sè gi¶ tíi h¹n cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh theo ®Þnh luËt Kay: Pc′ = ∑ Pci .c i i vµ Tc′ = ∑ Tci .c i i trong ®ã c i lµ phÇn mol cña cÊu tö trong hçn hîp; P c i vµ T c i lµ çc gi¸ trÞ tíi h¹n cña cÊu tö. Çc gi¸ trÞ tíi h¹n cña çc hydrocacbon xem ë b¶ng III.2. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 59 Chia gi¸ trÞ ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é thùc cho çc gi¸ trÞ gi¶ tíi h¹n, ta cã gi¸ trÞ çc ®¹i l−îng gi¶ rót gän cña hçn hîp: Tr′ = T ; Tc′ Pr = P Pc′ (III.6) §Þnh luËt Kay còng cã thÓ ¸p dông ®Ó tÝnh khèi l−îng ph©n tö hiÖu dông cña hçn hîp. VÝ dô III.1 TÝnh hÖ sè chÞu nÐn z cña khÝ cã thµnh phÇn vµ çc th«ng sè tíi h¹n cho trong b¶ng III.2 ë ¸p suÊt P = 13,94 MPa (2021 psi) vµ T = 331 K (595 0 R). ¸ p dông ®Þnh luËt Kay x¸c ®Þnh ®−îc çc ®¹i l−îng gi¶ tíi h¹n cña hçn hîp khÝ. KÕt qu¶ tÝnh theo hÖ ®¬n vÞ quèc tÕ vµ ®¬n vÞ Anh ®−a ra ë b¶ng III.2. B¶ng III.2. Thµnh phÇn vµ çc th«ng sè tíi h¹n cña hçn hîp khÝ CÊu tö yi HÖ Anh Pc Pc′ Tc Σ MW HÖ mÐt T c′ Pc Pc′ T c′ Tc MW MW ’ ’ N2 0,0046 493 2,3 227 1,0 3,40 0,02 126 0,6 28,016 0,13 CO2 0,0030 1071 3,2 548 1,6 7,38 0,02 304 0,9 44,010 0,13 H2S 0,1438 1300 186,9 672 373 53,6 34,076 4,90 C1 0,8414 666 560,4 343 191 160,7 16,043 13,50 C2 0,0059 707 96,6 8,96 1,29 288,6 4,60 3,87 3,2 4,88 0,023 305 1,8 30,070 0,18 4,2 550 C3 0,0008 617 0,5 666 izo-C4 0,0003 528 0,2 734 0,5 4,25 0,2 3,65 0,1 765 0,2 3,80 n-C4 0,0002 551 1,0000 758 392 - 370 0,3 44,097 0,04 - 408 0,1 58,124 0,02 - 425 0,1 58,124 0,01 5,23 218 MW = 18,900 TÝnh to¸n çc ®¹i l−îng gi¶ rót gän cña hçn hîp theo çc hÖ ®¬n vÞ quèc tÕ (hÖ mÐt) vµ hÖ ®¬n vÞ Anh: HÖ mÐt: Pr′ = 13,94 = 2,67 5,23 Tr′ = 331 = 1,52 218 2021 595 = 2,67 Tr′ = = 1,52 758 392 Tõ gi¶n ®å hÖ sè chÞu nÐn Katz (h×nh III.5) cã z = 0,8. HÖ Anh: Pr′ = http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 60 HÖ sè chÞu nÐn z HÖ sè chÞu nÐn z http://www.ebook.edu.vn a) ¸p suÊt gi¶ - rót gän b) 61 H×nh III.4. Gi¶n ®å Katz x¸c ®Þnh hÖ sè chÞu nÐn ë çc gi¸ trÞ ¸p suÊt thÊp Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ¸p suÊt gi¶ - rót gän ¸p suÊt gi¶ - rót gän Pr HÖ sè chÞu nÐn z NhiÖt ®é gi¶ - rót gän Tr ¸p suÊt gi¶ - rót gän Pr H×nh III.5. Gi¶n ®å Katz x¸c ®Þnh hÖ sè chÞu nÐn ë çc gi¸ trÞ ¸p suÊt cao http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 62 Tõ ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i: MW V ta nhËn ®−îc c«ng thøc tÝnh tû träng thùc cña khÝ ë nhiÖt ®é T vµ ¸p suÊt P: PV = zRT ρ= vµ ρ= ( MW ).( P ) zRT trong ®ã MW lµ khèi l−îng ph©n tö. Thay vµo c«ng thøc trªn ta cã tû träng thùc cña khÝ: ρ= 13,94 × 18,90 = 120 kg/m 3 . 0,8 × 0,00831 × 331 VÝ dô III.2 ¸ p dông çc ph−¬ng ph¸p tÝnh hÖ sè chÞu nÐn z cña khÝ cã chøa H 2 S vµ CO 2 . Cã hai ph−¬ng ph¸p phæ biÕn lµ ph−¬ng ph¸p Robinson vµ ph−¬ng ph¸p Wichert. Chóng ta sö dông ph−¬ng ph¸p Wichert. Trong ph−¬ng ph¸p nµy, t¸c gi¶ ® sö dông çc th«ng sè gi¶ tíi h¹n P c ‘ vµ T c ‘ ®−îc x¸c ®Þnh b»ng ®Þnh luËt Kay vµ gi¶n ®å Katz. Ngoµi ra t¸c gi¶ cßn sö dông hÖ sè ε ®−îc x¸c ®Þnh tõ gi¶n ®å trªn h×nh III.6. HÖ sè ε ®−îc sö dông ®Ó hiÖu chØnh çc th«ng sè gi¶ tíi h¹n x¸c ®Þnh tõ ®Þnh luËt Kay ®èi víi khÝ chua. Gi¸ trÞ çc th«ng sè gi¶ tíi h¹n sau khi hiÖu chØnh ®−îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh ¸p suÊt rót gän P r ’ vµ nhiÖt ®é rót gän T r ’ theo gi¶n ®å Katz. HÖ mÐt: Tc′′ = Tc′ − 0,556 ε Pc′′ = HÖ Anh: Pc′ ⋅ Tc′′ Tc′ + B(1 − B ) × ε × 0,556 Tc′′ = Tc′ − ε Pc′′ = Pc′ ⋅ Tc′′ Tc′ + B(1 − B ) ⋅ ε trong ®ã: P c ” vµ T c ” lµ th«ng sè gi¶ tíi h¹n ® ®−îc hiÖu chØnh, tõ ®ã tÝnh ®−îc P r ” = P/P c ” vµ T r ” = T/T c ” , vµ sÏ ®−îc dïng trong gi¶n ®å Katz ®Ó x¸c ®Þnh z. P c ’ vµ T c ’ lµ çc th«ng sè gi¶ tíi h¹n ®−îc x¸c ®Þnh tõ ®Þnh luËt Kay; http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 63 ε x¸c ®Þnh tõ gi¶n ®å trªn h×nh III.6; B lµ phÇn mol H 2 S trong khÝ. Cã thÓ x¸c ®Þnh ε theo gi¶n ®å trªn h×nh III.6 hoÆc theo biÓu thøc: ε = 120⋅(A 0,9 − A 1,6 ) + 15⋅(B 0,5 − B 4 ) (III.7) trong ®ã: ε tÝnh theo R b»ng 1,8 × K; 0 A lµ phÇn mol H 2 S vµ CO 2 trong khÝ; B lµ phÇn mol H 2 S trong khÝ. % CO 2 Víi çc sè liÖu thµnh phÇn khÝ nh− ë vÝ dô III.1, tõ gi¶n ®å trªn h×nh III.6 hoÆc tõ biÓu thøc (III.7) cã ε = 21. % H2S H×nh III.6. Gi¶n ®å x¸c ®Þnh hÖ sè hiÖu chØnh ε http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 64 TÝnh to¸n theo çc hÖ ®¬n vÞ quèc tÕ (hÖ mÐt) hoÆc hÖ ®¬n vÞ Anh: Tc′′ = 218 − 0,556 × 21 = 206,3 K HÖ mÐt: Pc′′ = 5,23 × 206,3 = 4,92 MPa 218 + 0,1438 × 0,8562 × 21 × 0,056 T c′′ = 392 − 21 = 371 0 R HÖ Anh: 758 × 371 = 713 psi 392 + 0,1438 × 0,8562 × 21 tõ ®ã: Pr′′ = 2,8 vµ Tr′′ = 331/206,3 = 1,6, do ®ã z = 0,83. Pc′′ = ρ= 13,94 × 18,90 = 115 kg/m 3 . 0,83 × 0,00831 × 331 VÝ dô III.3 §«i khi cÇn ph¶i tÝnh to¸n tû träng cña hçn hîp khÝ khi cã s½n rÊt Ýt th«ng tin. Ng−êi ta sö dông gi¶n ®å trªn h×nh III.7 biÓu diÔn çc tÝnh chÊt gi¶ tíi h¹n cña khÝ tù nhiªn ®Ó tÝnh to¸n gÇn ®óng. Víi sè liÖu t−¬ng tù nh− vÝ dô III.1, nh−ng khèi l−îng ph©n tö cña hçn hîp MW = 18,90 (çc th«ng sè kh¸c kh«ng biÕt). Tû träng t−¬ng ®èi cña hçn hîp khÝ ®ã (so víi kh«ng khÝ, γkh«ng khÝ = 1): γk = 18,90 = 0,65 28,97 Tõ gi¶n ®å ta cã: T c ’ = 208 K (375 0 R) P c ’ = 4,62 MPa (670 psi) Tõ ®ã tÝnh çc ®¹i l−îng rót gän cña hçn hîp: HÖ mÐt: HÖ Anh: Pr′ = P 13,95 = = 3,02 Pc′ 4,62 Tr′ = T 331 = = 1,59 Tc′ 208 Pr′ = P 2021 = = 3,02 Pc′ 670 Tr′ = T 595 = = 1,59 Tc′ 375 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 65 Pc' Pc' MPa psi Tc' Tc' O K R Tû träng t−¬ng ®èi, γkh«ng khÝ = 1 H×nh III.7. Gi¶n ®å çc tÝnh chÊt gi¶ tíi h¹n cña khÝ tù nhiªn Tõ gi¶n ®å trªn h×nh III.4 vµ III.5 x¸c ®Þnh ®−îc z = 0,825 vµ: ρ= 13,94 × 18,90 = 116 kg/m 3 0,825 × 0,00831 × 331 Nh÷ng ph−¬ng ph¸p kh¸c x¸c ®Þnh hÖ sè z Cßn cã mét sè ph−¬ng ph¸p kh¸c ®Ó x¸c ®Þnh hÖ sè chÞu nÐn z. Nãi chung ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh z tõ çc ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i ®−îc øng dông kh¸ réng r i khi kh«ng cÇn ph¶i tÝnh to¸n thËt chÝnh x¸c. Çc ®¼ng thøc thùc nghiÖm ® ®−îc ph¸t triÓn ®Ó tÝnh hÖ sè chÞu nÐn z víi çc hçn hîp khÝ ®Æc biÖt hoÆc hçn hîp khÝ trong ph¹m vi hÑp, cho kÕt qu¶ kh¸ chÝnh x¸c nh−ng http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 66 kh«ng tæng qu¸t. VÝ dô biÓu ®å Katz ¸p dông tèt khi tÝnh to¸n víi khÝ ngät (nh− khi tÝnh to¸n thiÕt kÕ ®−êng èng dÉn khÝ ngät ch¼ng h¹n), nh−ng l¹i kÐm phï hîp víi khÝ cã chøa l−îng nhá H 2 S, CO2 vµ N 2 . B¶ng III.3 d−íi ®©y ®−a ra çc sè liÖu so s¸nh kÕt qu¶ tÝnh hÖ sè z víi hçn hîp khÝ cã thµnh phÇn nh− trong çc vÝ dô trªn khi cã thªm çc hÖ sè hiÖu chØnh. B¶ng III.3. So s¸nh çc kÕt qu¶ tÝnh z Çc ph−¬ng ph¸p tÝnh z Katz 0,80 Katz víi hÖ sè ε 0,83 §å thÞ γ − P c ’, T c ’ 0,825 Ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i SBV 0,83 Ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i SRK 0,85 Ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i PR 0,81 Víi khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh cã thÓ x¸c ®Þnh hÖ sè chÞu nÐn theo ph−¬ng tr×nh: z = 0,990 + (P r − 0,0681) / (− 26,481 T r 2 + 49,11 T r − 25,17) (III.8) víi ®é chÝnh x¸c ± 0,5% trong kho¶ng gi¸ trÞ Pr = 0,35 ... 1,5 ; Tr = 1,2 ... 1,8. Cßn nãi chung thùc tÕ th−êng tÝnh to¸n theo çc gi¶n ®å phô thuéc cña z vµo çc ®¹i l−îng rót gän ® nªu trªn. Tû träng cña çc hydrocacbon tõ C 1 ®Õn C 10 ë ¸p suÊt khÝ quyÓn ®−îc ®−a ra trªn çc gi¶n ®å t−¬ng øng trong kho¶ng nhiÖt ®é thÊp (h×nh III.8) vµ trong kho¶ng nhiÖt ®é cao (h×nh III.9). Gi¸ trÞ to¹ ®é t−¬ng øng víi çc hydrocacbon trªn h×nh III.9 ®−îc cho trong b¶ng III.4. Tû träng cña khÝ nÐn ®−îc tÝnh theo ph−¬ng tr×nh: d= ∑ x i Mi i ∑ ( x i vi ) + vm (III.9) i trong ®ã: v i lµ thÓ tÝch mol cña cÊu tö i , m 3 /kg.mol; v m lµ thÓ tÝch ©m cña hçn hîp, tøc lµ ®¹i l−îng cho biÕt tæng thÓ tÝch cña çc cÊu tö riªng biÖt lín h¬n thÓ tÝch hçn hîp cña chóng, m 3 /kg.mol. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 67 Metyl xyclohexan Tû träng, kg/m 3 NhiÖt ®é, 0 C n-Nonan 3-Etyl pentan n-Octan 2,2,4-Trimetyl pentan n-Heptan Hecxen-1 n-Hexan Penten-1 2-Metyl butan Pentan 2,2-Dimetyl propan Buten-1 n-Butan 2-Metyl propan Propylen Propan Etylen Etan Metan H×nh III.8. Gi¶n ®å x¸c ®Þnh tû träng hydrocacbon láng ë ¸p suÊt khÝ quyÓn trong vïng nhiÖt ®é thÊp B¶ng III.4. Gi¸ trÞ to¹ ®é vµ kho¶ng nhiÖt ®é ®Ó tÝnh tû träng cña çc hydrocacbon láng ë ¸p suÊt khÝ quyÓn Hydrocacbon n -Pentan izo -Pentan n -Hexan n -Heptan n -Octan n -Nonan n -Decan Çc to¹ ®é (h×nh III.8) x y 2,19 2,07 2,33 2,45 2,65 2,74 2,80 0,61 0,43 1,53 2,27 2,89 3,36 3,73 Kho¶ng nhiÖt ®é, 0 C H×nh III.8 − 90 ... − 50 ... − 90 ... − 90 ... − 50 ... − 50 ... − 0 10 0 0 0 0 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn H×nh III.9 − 10 − 10 − 10 − 10 − 10 − 10 − 10 ... ... ... ... ... ... ... 30 20 60 90 120 120 140 68 Tû träng, kg/cm 3 NhiÖt ®é, 0 C H×nh III.9. Gi¶n ®å x¸c ®Þnh tû träng hydrocacbon láng ë ¸p suÊt khÝ quyÓn trong vïng nhiÖt ®é trung b×nh vµ cao Ngoµi ra ng−êi ta cßn cã thÓ x¸c ®Þnh çc th«ng sè tíi h¹n vµ gi¶ tíi h¹n cña hçn hîp theo çc gi¶n ®å khi biÕt gi¸ trÞ nhiÖt ®é s«i trung b×nh cña hçn hîp: − Tõ nhiÖt ®é s«i trung b×nh mol x¸c ®Þnh nhiÖt ®é gi¶ tíi h¹n. − Tõ nhiÖt ®é s«i trung b×nh khèi l−îng x¸c ®Þnh nhiÖt ®é tíi h¹n cña hçn hîp. Trªn h×nh III.10 vµ III.11 lµ gi¶n ®å ®Ó x¸c ®Þnh nhiÖt ®é gi¶ tíi h¹n (hoÆc tíi h¹n) sau khi x¸c ®Þnh ®−îc nhiÖt ®é s«i trung b×nh mol (hoÆc nhiÖt ®é s«i trung b×nh khèi l−îng) vµ tû träng trung b×nh cña hçn hîp. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 69 , Tû träng T C hoÆc T C NhiÖt ®é s«i trung b×nh hoÆc nhiÖt ®é s«i trung b×nh khèi l−îng, 0 C ρ 420 H×nh III.10. Gi¶n ®å x¸c ®Þnh nhiÖt ®é tíi h¹n vµ gi¶ tíi h¹n cña hçn hîp hydrocacbon cã ρ 420 ≤ 0,6 70 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn NhiÖt ®é s«i trung b×nh hoÆc nhiÖt ®é s«i trung b×nh khèi l−îng, 0 C T C hoÆc T C Tû träng , ρ 420 H×nh III.11. Gi¶n ®å x¸c ®Þnh nhiÖt ®é tíi h¹n vµ gi¶ tíi h¹n cña hçn hîp hydrocacbon cã ρ 420 ≥ 0,6 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 71 Çc b−íc tÝnh to¸n nh− sau: 1) X¸c ®Þnh nhiÖt ®é s«i trung b×nh mol, víi x i phÇn mol cÊu tö i trong hçn hîp: N Tsmol = ∑ Tsi x i i =1 2) TÝnh nhiÖt ®é s«i trung b×nh khèi l−îng, víi x i ’ phÇn khèi l−îng cÊu tö i trong hçn hîp: N Ts klg = ∑ Tsi x i′ i =1 3) X¸c ®Þnh tû träng trung b×nh cña hçn hîp hydrocacbon: ρ 420 = ∑ ρ 420i .x i • víi n -alcan: ρ 420i = 0,8513 − 1,31 n + 0,82 • víi n -alken: ρ 420i = 0,8513 − 1,1465 n + 0,44 trong ®ã n lµ sè nguyªn tö cacbon trong ph©n tö hydrocacbon. Sau khi x¸c ®Þnh ®−îc tû träng trung b×nh cña hçn hîp hydrocacbon, nÕu ρ 420 ≤ 0,6 th× nhiÖt ®é gi¶ tíi h¹n ®−îc x¸c ®Þnh theo gi¶n ®å trªn h×nh III.10, nÕu ρ 420 ≥ 0,6 th× nhiÖt ®é gi¶ tíi h¹n ®−îc x¸c ®Þnh theo gi¶n ®å trªn h×nh III.11. III.3. Th«ng sè acentric ω §Ó x¸c ®Þnh tÝnh chÊt cña çc chÊt cã sö dông th«ng sè hiÖu chØnh trªn c¬ së lý thuyÕt tr¹ng th¸i t−¬ng hîp, ng−êi ta ® ®−a ra th«ng sè acentric ω hiÖu chØnh sù sai lÖch do h×nh d¹ng ph©n tö kh«ng ph¶i lµ d¹ng h×nh cÇu: ω = − lgPr − 1 (III.10) * * trong ®ã P r lµ ¸p suÊt rót gän ë T r = 0,7 T c tøc lµ P r = P / P c víi P lµ ¸p suÊt h¬i ë T = 0,7 T c . Gi¸ trÞ ω ®èi víi çc cÊu tö riªng biÖt xem ë b¶ng II.3 cßn ω hçn hîp ®−îc tÝnh theo ®Þnh luËt hçn hîp: http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 72 ω = ∑ ω i .c i (III.11) i Ngoµi ra nã cßn ®−îc x¸c ®Þnh tõ çc gi¶n ®å cã trong çc sæ tay. III.4. Çc tÝnh chÊt cña hydrocacbon ë tr¹ng th¸i láng §Æc tÝnh c¬ b¶n cña tr¹ng th¸i láng khi so s¸nh víi tr¹ng th¸i khÝ lµ kh«ng chÞu nÐn. Tuy nhiªn tÝnh to¸n çc tÝnh chÊt cña hçn hîp láng bao gåm hai yÕu tè: tån t¹i çc cÊu tö nhÑ cã ¸p suÊt h¬i cao lµ metan vµ etan, vµ cã sù gi¶m thÓ tÝch khi hoµ tan hai hydrocacbon láng. C¶ hai yÕu tè trªn ®Òu cã thÓ hiÓu ®−îc khi biÕt r»ng tr¹ng th¸i láng ®−îc t¹o thµnh tõ çc ph©n tö cã kÝch th−íc vµ h×nh d¸ng kh¸c nhau, cã møc n¨ng l−îng kh¸c nhau. KÝch th−íc vµ h×nh d¸ng ph©n tö ¶nh h−ëng ®Õn tÊt c¶ çc tÝnh chÊt cña pha láng. NÕu nh− phãng ®¹i çc ph©n tö sÏ nh×n thÊy hµng lo¹t kÝch th−íc, h×nh d¹ng vµ kho¶ng çch gi÷a chóng. KÝch th−íc phô thuéc vµo khèi l−îng ph©n tö cña chóng. Víi çc parafin cã kÝch th−íc ph©n tö lín sÏ cã h×nh d¹ng nh− chuçi xÝch. Çc ph©n tö nhá nh− metan vµ etan sÏ kh¸ gièng h×nh cÇu. N¨ng l−îng cña ph©n tö chuyÓn ®éng liªn quan ®Õn ¸p suÊt h¬i, mµ ¸p suÊt h¬i l¹i phô thuéc vµo khèi l−îng ph©n tö. Çc ph©n tö cã khèi l−îng ph©n tö nhá nh− metan rÊt linh ®éng, cßn çc ph©n tö cã khèi l−îng ph©n tö lín kÐm linh ®éng h¬n. Çc tÝnh chÊt phô thuéc vµo kÝch th−íc h×nh d¹ng vµ n¨ng l−îng cña ph©n tö. Tû träng lµ mét trong nh÷ng yÕu tè quan träng, nã kh«ng chØ cÇn thiÕt cho çc tÝnh to¸n chñ yÕu mµ cßn cã liªn quan ®Õn çc th«ng sè kh¸c nh− ®é nhít, ®iÓm s«i, chØ sè khóc x¹... §Ó x¸c ®Þnh tû träng cña hydrocacbon ë tr¹ng th¸i láng (vÝ dô LNG, LPG), ng−êi ta ®−a ra th«ng sè Watson ®−îc ®Þnh nghÜa nh− sau: Kw = A ⋅ Tb1/3 (III.12) γ trong ®ã: T b lµ ®iÓm s«i trung b×nh; γ lµ tû träng t−¬ng ®èi; A lµ hÖ sè chuyÓn ®æi. HÖ mÐt: A = 1,22 T (K) HÖ Anh: A=1 T ( o R) http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 73 Th«ng sè Watson phô thuéc vµo thµnh phÇn çc cÊu tö. − Víi dÇu th« parafin K w = 11,9 ... 12,2 , v× vËy trong thùc tÕ th−êng dïng gi¸ trÞ 11,9 lµm tiªu chuÈn cho dÇu th« parafin. − Çc parafin nhÑ th−êng cã K w > 12 (vÝ dô propan: 14,7; butan: 13,5). − Çc chÊt th¬m cã K w < 11,5, nh− vËy hçn hîp hydrocacbon cã gi¸ trÞ th«ng sè Watson K w < 11,9 phÇn lín lµ chÊt th¬m. H×nh III.12 lµ gi¶n ®å m« t¶ quan hÖ gi÷a çc tÝnh chÊt cña hydrocacbon láng, ®−îc sö dông kh¸ phæ biÕn trong tÝnh to¸n thùc tÕ. Khi biÕt hai trong sè çc th«ng sè cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc çc th«ng sè kh¸c. VÝ dô : DÇu th« 40 o API cã K w = 11,9 sÏ cã: Khèi l−îng ph©n tö : MW = 209 NhiÖt ®é s«i trung b×nh: T b = 255 0 C (491 0 F) Tû träng t−¬ng ®èi so víi n−íc ë 150C (600F): 0,825; ρH2O = 1000 kg/m3 (Tû träng chÊt láng γ tÝnh b»ng (g/cm 3 ): 1 kg/m 3 = 1000 γ ). Tû träng dÇu th« ®«i khi cßn ®−îc x¸c ®Þnh b»ng o API, ®−îc ®Þnh nghÜa nh− sau: γ= o 141,5 131,5 + o API API = 141,5 γ − 131,5 (g/cm 3 ) Gi÷a tû träng t−¬ng ®èi vµ khèi l−îng ph©n tö trung b×nh cña hçn hîp çc hydrocacbon láng kh«ng cã biÓu thøc t−¬ng quan chÝnh x¸c. Çc sè liÖu chi tiÕt ®Ó x©y dùng quan hÖ gi÷a hai ®¹i l−îng trªn còng kh«ng cã s½n. Çc ®−êng cong trªn h×nh III.13 biÓu diÔn quan hÖ gÇn ®óng gi÷a tû träng t−¬ng ®èi phô thuéc vµo khèi l−îng ph©n tö trung b×nh cña hçn hîp çc hydrocacbon ë tr¹ng th¸i láng. §−êng cong phÝa trªn lµ cña hçn hîp hydrocacbon láng parafinic tõ bån chøa (dÇu th« parafinic) cã gi¸ trÞ th«ng sè Watson vµo kho¶ng 12. §−êng cong phÝa d−íi lµ cña khÝ tù nhiªn ho¸ láng LNG. Çc sè liÖu trªn çc ®−êng cong nµy phï hîp víi çc gi¸ trÞ t−¬ng øng trªn h×nh III.12. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 74 C 0 F NhiÖt ®é s«i Khèi l−îng ph©n tö Th«ng sè Watson K Tû sè khèi l−îng cacbon/hydro Tû träng, 0 API Träng l−îng riªng 60 0 F/60 0 F 0 H×nh III.12. Gi¶n ®å quan hÖ gi÷a çc ®¹i l−îng ®Æc tr−ng cña hydrocacbon láng http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 75 Tû träng t−¬ng ®èi 0,90 DÇu parafinic 0,85 LNG 0,80 0,75 0,70 0,65 0 100 200 300 400 Khèi l−îng ph©n tö trung b×nh H×nh III.13. Quan hÖ gÇn ®óng gi÷a tû träng t−¬ng ®èi vµ khèi l−îng ph©n tö cña hçn hîp çc hydrocacbon ë tr¹ng th¸i láng http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 76 Ch−¬ng IV TÝnh chÊt cña hÖ hydrocacbon vμ n−íc IV.1. Hμm Èm cña khÝ KhÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh khai th¸c tõ çc má d−íi lßng ®Êt lu«n b o hoµ h¬i n−íc. Hµm l−îng h¬i n−íc cã trong hçn hîp khÝ phô thuéc vµo ¸p suÊt, nhiÖt ®é vµ thµnh phÇn khÝ. T¹i mçi gi¸ trÞ ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc hµm l−îng Èm tèi ®a cña khÝ. Hµm Èm t−¬ng øng víi tr¹ng th¸i khÝ b o hoµ h¬i n−íc ®−îc gäi lµ hµm Èm c©n b»ng hay cßn gäi lµ ®é Èm c©n b»ng. §Ó biÓu diÔn hµm l−îng h¬i n−íc cã trong khÝ, ng−êi ta sö dông hai kh¸i niÖm: ®é Èm tuyÖt ®èi vµ ®é Èm t−¬ng ®èi. §é Èm tuyÖt ®èi lµ l−îng h¬i n−íc cã trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝch hoÆc mét ®¬n vÞ khèi l−îng khÝ (®−îc biÓu diÔn b»ng g/m 3 khÝ hoÆc g/kg khÝ). §é Èm t−¬ng ®èi lµ tû sè gi÷a khèi l−îng h¬i n−íc cã trong khÝ vµ khèi l−îng h¬i n−íc tèi ®a cã thÓ cã trong khÝ ë ®iÒu kiÖn b o hoµ (biÓu diÔn theo phÇn tr¨m hoÆc phÇn ®¬n vÞ). NÕu gi¶m nhiÖt ®é khÝ b o hoµ h¬i n−íc cßn ¸p suÊt kh«ng ®æi, th× mét phÇn h¬i n−íc bÞ ng−ng tô. NhiÖt ®é t¹i ®ã h¬i n−íc cã trong khÝ b¾t ®Çu ng−ng tô ®−îc gäi lµ ®iÓm s−¬ng cña khÝ Èm t¹i ¸p suÊt ® cho. Hµm Èm cña khÝ phô thuéc vµo ¸p suÊt, nhiÖt ®é cña hÖ vµ thµnh phÇn hçn hîp khÝ. Cã nhiÒu ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh hµm Èm cña khÝ, trong ®ã çc ph−¬ng ph¸p sau phæ biÕn: • Sö dông quan hÖ gi÷a ¸p suÊt riªng phÇn vµ thµnh phÇn láng h¬i. • Sö dông çc ®−êng cong thùc nghiÖm phô thuéc cña hµm Èm vµo nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt. • HiÖu chØnh çc ®−êng cong trªn khi cã mÆt cña H2 S, CO 2 , N 2 . • Sö dông ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i P−V−T. IV.2. Çc ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh hμm Èm cña khÝ IV.2.1. Sö dông quan hÖ gi÷a ¸p suÊt riªng phÇn vµ thµnh phÇn láng h¬i Trong tr−êng hîp ¸p suÊt cña hÖ thÊp, tíi 400 kPa, hçn hîp khÝ cã thÓ coi lµ khÝ lý t−ëng, khi ®ã cã thÓ ¸p dông ®Þnh luËt Raoult ®èi víi n−íc: http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 77 P.y w = P h . x w (IV.1) trong ®ã: P lµ ¸p suÊt tuyÖt ®èi cña hÖ; y w lµ phÇn mol n−íc trong pha h¬i; P h lµ ¸p suÊt h¬i cña n−íc t¹i nhiÖt ®é cña hÖ; x w lµ phÇn mol n−íc trong pha láng (x = 1). PhÇn mol n−íc trong pha láng x w cã thÓ lÊy b»ng 1, bëi v× pha láng kh«ng pha trén. Nh− vËy, khi biÕt ¸p suÊt cña hÖ vµ ¸p suÊt h¬i riªng phÇn cña h¬i n−íc th× cã thÓ tÝnh ®−îc phÇn mol cña n−íc trong pha h¬i theo ®¼ng thøc (IV.1). IV.2.2. Sö dông çc ®−êng cong thùc nghiÖm Tõ ®Çu nh÷ng n¨m 1950, khÝ tù nhiªn sau khi lo¹i çc cÊu tö nÆng vµ çc t¹p chÊt trë thµnh khÝ kh« ngät ®−îc ho¸ láng thµnh LNG. §èi víi khÝ tù nhiªn kh« ngät nµy, logarit cña hµm Èm (logW) phô thuéc vµo P vµ T. Trªn h×nh IV.1 m« t¶ sù phô thuéc cña logW vµo nhiÖt ®é ®iÓm s−¬ng t¹i ¸p suÊt ® cho. Nång ®é tÝnh b»ng khèi l−îng trªn mét ®¬n vÞ thÓ tÝch tiªu chuÈn ®−îc tÝnh chuyÓn sang phÇn mol y theo c«ng thøc sau: kg n−íc/10 6 m 3 = y w 18 × 41.740 = 751.320 y w trong ®ã: 18 lµ khèi l−îng ph©n tö n−íc; 41.740 lµ kmol khÝ / 10 6 m 3 (ë 15 0 C vµ 100 kPa). X¸c ®Þnh hµm l−îng n−íc trong khÝ cã ý nghÜa rÊt quan träng trong tÝnh to¸n qu¸ tr×nh sÊy khÝ, tÝnh to¸n l−îng n−íc ng−ng tô trong ®−êng èng dÉn khÝ v.v... Gi¶ dô t¹i mét ®iÓm trªn ®−êng cong ë h×nh IV.1, x¸c ®Þnh ®−îc hµm l−îng n−íc lµ 200 kg/106 m 3 . Còng trªn ®−êng cong ®ã dÞch xuèng phÝa d−íi x¸c ®Þnh ®−îc mét ®iÓm øng víi hµm l−îng n−íc lµ 100 kg/10 6 m 3 , cã nghÜa lµ l−îng n−íc d− ®ã nÕu kh«ng ®−îc lÊy ra th× sÏ cã 100 kg n−íc ng−ng tô trªn ®−êng èng dÉn 10 6 m 3 khÝ. L−îng n−íc nµy cã thÓ ë d¹ng hydrat, ng¨n c¶n qu¸ tr×nh vËn chuyÓn khÝ trªn ®−êng èng, hoÆc g©y ¨n mßn ®−êng èng vµ thiÕt bÞ. Qu¸ tr×nh dehydrat hay cßn gäi lµ qu¸ tr×nh sÊy khÝ sÏ lµm h¹n chÕ sù ng−ng tô h¬i n−íc cã trong khÝ. H×nh IV.1 ®−îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh hµm Èm cho khÝ tù nhiªn kh« ngät, víi sai sè 6 ... 10%. Tuy nhiªn sù cã mÆt CO2 vµ H 2 S trong khÝ víi hµm l−îng ®¸ng kÓ sÏ lµm cho kÕt qu¶ nhËn ®−îc cã sai sè lín h¬n. V× vËy, øng dông thùc tÕ chÊp nhËn ®−îc khi nång ®é CO 2 vµ H 2 S nhá vµ ¸p suÊt thÊp. 78 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Hµm Èm cña khÝ tù nhiªn ngät, kg/10 6 m 3 (100 kPa vµ 15 0 C) §iÓm s−¬ng, 0 C H×nh IV.1a. Hµm l−îng Èm cña khÝ tù nhiªn kh« ngät http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 79 Hµm Èm cña khÝ tù nhiªn ngät, lb/MMscf (14,7 psi vµ 59 0 F) §iÓm s−¬ng, 0 F H×nh IV.1b. Hµm l−îng Èm cña khÝ tù nhiªn kh« ngät 80 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn IV.2.3. Hµm Èm cña khÝ chua Cã mét vµi ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh hµm Èm cña khÝ cã chøa H 2 S vµ CO 2 . Trong sè ®ã cã hai ph−¬ng ph¸p hiÖu chØnh víi hçn hîp khÝ cã hµm l−îng CO 2 vµ H 2 S cao, kÕt qu¶ nhËn ®−îc cã ®é chÝnh x¸c t−¬ng ®èi cao phï hîp víi thùc tÕ, ®−îc sö dông phæ biÕn. a. Ph−¬ng ph¸p thø nhÊt coi hçn hîp khÝ b o hoµ h¬i n−íc, hµm Èm cña hçn hîp khÝ lµ tæng cña hµm Èm cña khÝ ngät, hµm Èm cña CO 2 vµ hµm Èm cña H 2 S. Hµm Èm cña khÝ chua ®−îc tÝnh theo biÓu thøc sau: W = y.W hc + y 1 .W 1 + y 2 .W 2 (IV.2) trong ®ã: W lµ hµm Èm cña hçn hîp khÝ chua; W hc lµ hµm Èm cña khÝ ngät x¸c ®Þnh tõ ®å thÞ IV.1a, b; W 1 lµ hµm Èm cña CO2 x¸c ®Þnh tõ ®å thÞ IV.2; W 2 lµ hµm Èm cña H2 S x¸c ®Þnh tõ ®å thÞ IV.3; y = 1 − y1 − y2. y 1 lµ phÇn mol CO 2 ; y 2 lµ phÇn mol H2 S. b. Ph−¬ng ph¸p thø hai coi hçn hîp khÝ lµ hçn hîp cña metan, CO2 vµ H 2 S. Hµm Èm còng ®−îc tÝnh theo biÓu thøc (IV.2), trong ®ã hµm Èm cña CO 2 vµ H 2 S ®−îc x¸c ®Þnh tõ ®å thÞ IV.4 vµ IV.5. BiÓu thøc (IV.2) ¸p dông ë ¸p suÊt cao vµ hµm l−îng H 2 S trªn 20%. IV.2.4. Sö dông ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i x¸c ®Þnh hµm Èm cña khÝ chua a. Ph−¬ng ph¸p sö dông ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i SRK §å thÞ trªn h×nh IV.6 ®−îc x©y dùng trªn c¬ së tÝnh to¸n theo ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i Soave - Redlich - Kwong (SRK) ® nªu ë ch−¬ng II. P= RT a − 0, 5 v − b T v.(v + b) (IV.3) trong ®ã: a, b lµ h»ng sè t−¬ng quan ; v lµ thÓ tÝch mol. Ph−¬ng ph¸p nµy thõa nhËn gi¶ thiÕt coi toµn bé hydrocacbon trong khÝ lµ metan vµ hµm Èm cña CO 2 b»ng 75% hµm Èm cña H 2 S ë cïng ®iÒu kiÖn. V× vËy, ®Ó ®¬n gi¶n tÝnh to¸n, phÇn mol CO2 ®−îc ®æi thµnh phÇn mol H2 S. Khi sö dông ®å thÞ phÇn tr¨m mol H2 S sÏ lµ phÇn tr¨m mol CO 2 nh©n víi 0,75 céng víi phÇn tr¨m mol H 2 S thùc cña hçn hîp khÝ. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 81 Hµm Èm, kg H 2 O /10 6 m 3 khÝ (100 kPa vµ 15 0 C) Hµm Èm, lbs H 2 O /MMscf khÝ (14,7 psia vµ 60 0 F) 82 http://www.ebook.edu.vn ¸p suÊt, MPa ¸p suÊt, psia H×nh IV.2. Hµm Èm cña CO 2 trong hçn hîp khÝ tù nhiªn b·o hoµ h¬i n−íc Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ¸p suÊt, MPa Hµm Èm, lbs H 2 O /MMscf khÝ (14,7 psia vµ 60 0 F) Hµm Èm, kg H 2 O /10 6 m 3 khÝ (100 kPa vµ 15 0 C) http://www.ebook.edu.vn ¸p suÊt, psia 83 H×nh IV.3. Hµm Èm cña H 2 S trong hçn hîp khÝ tù nhiªn b·o hoµ h¬i n−íc Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Hµm Èm, kg H 2 O /10 6 m 3 khÝ NhiÖt ®é, 0 C Hµm Èm, lbs H 2 O /MMscf khÝ H×nh IV.4a. Hµm Èm cña CO 2 NhiÖt ®é, 0 F H×nh IV.4b. Hµm Èm cña CO 2 84 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Hµm Èm, kg H 2 O /10 6 m 3 khÝ NhiÖt ®é, 0 C Hµm Èm, lbs H 2 O /MMscf khÝ H×nh IV.5a. Hµm Èm cña H 2 S H×nh IV.5b. Hµm Èm cña H 2 S http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn NhiÖt ®é, 0 F 85 Hµm Èm, lbs H 2 O /MMscf khÝ Hµm Èm, lbs H 2 O /MMscf khÝ 86 ➎ ➍ ➌ ➋ ➊ ➎ ➍ ➌ ➋ ➊ Hμm Èm cña hçn hîp khÝ tù nhiªn Çc cÊu tö trong pha khÝ ➊ 100% CH 4 http://www.ebook.edu.vn ➋ 10% H 2 S, 90% CH 4 ➌ 20% H 2 S, 80% CH 4 ➍ 30% H 2 S, 70% CH 4 ➎ 40% H 2 S, 60% CH 4 NhiÖt ®é, 0 F ➎ ➍ ➌ ➋ ➊ ➎ ➍ ➌ ➋ ➊ Hμm Èm cña hçn hîp khÝ tù nhiªn Çc cÊu tö trong pha khÝ ➊ 100% CH 4 ➋ 10% H 2 S, 90% CH 4 ➌ 20% H 2 S, 80% CH 4 ➍ 30% H 2 S, 70% CH 4 ➎ 40% H 2 S, 60% CH 4 NhiÖt ®é, 0 F H×nh IV.6. Çc gi¸ trÞ hiÖu chØnh hµm Èm ®èi víi hçn hîp khÝ tù nhiªn chua Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Hµm Èm tÝnh theo ph−¬ng ph¸p nµy theo hÖ d¬n vÞ Anh: W = 350 × w trong ®ã W ®−îc tÝnh b»ng lbm/MMscf; w ®−îc tÝnh b»ng bbl/MMscf, x¸c ®Þnh tõ ®å thÞ ë h×nh IV.6. Hµm Èm tÝnh theo hÖ ®¬n vÞ SI: W = 5.543 × w trong ®ã W ®−îc tÝnh b»ng kg / 10 6 m 3 ; w ®−îc tÝnh b»ng bbl/MMscf, x¸c ®Þnh tõ ®å thÞ ë h×nh IV.6. Ph−¬ng ph¸p nµy lµ ph−¬ng ph¸p gÇn ®óng nhanh nhÊt ®Ó x¸c ®Þnh hµm Èm cña khÝ chua nhê gi¶ thiÕt chuyÓn ®æi phÇn mol CO 2 thµnh phÇn mol H 2 S theo tû lÖ 75% ® ®¬n gi¶n ho¸ phÐp tÝnh. b. Ph−¬ng ph¸p sö dông ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i gÇn ®óng Ph−¬ng ph¸p nµy do Suresh vµ Sharma cïng çc céng sù ®−a ra trªn c¬ së sö dông ®¹i l−îng khóc x¹ ph©n tö cña Eykman vµ çc ®¼ng thøc ho¸ lý ¸p dông cho khÝ chua. Çc ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i gÇn ®óng nµy lµ çc ph−¬ng tr×nh thùc nghiÖm, cã thÓ tÝnh to¸n b»ng m¸y tÝnh ®iÖn tö hoÆc tÝnh b»ng tay sö dông çc ®å thÞ IV.7, IV.8, IV.9. Tr×nh tù tÝnh to¸n nh− sau: • TÝnh nhiÖt ®é tíi h¹n vµ ¸p suÊt tíi h¹n cña hçn hîp, cã sö dông tham sè thø ba lµ ®é khóc x¹ ph©n tö Z. Cã nghÜa lµ ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i ngoµi hai th«ng sè nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cßn cã th«ng sè thø ba lµ ®é khóc x¹ ph©n tö Eykman. §©y lµ th«ng sè liªn hÖ gi÷a chØ sè khóc x¹ vµ ph©n tö l−îng cña ph©n tö. ChØ sè khóc x¹ hay cßn gäi lµ chiÕt suÊt cña mét chÊt lµ tû sè tèc ®é cña ¸nh s¸ng trong ch©n kh«ng trªn tèc ®é cña ¸nh s¸ng trong m«i tr−êng ®ã. • X¸c ®Þnh ¸p suÊt rót gän P r vµ nhiÖt ®é rót gän T r cña hçn hîp khÝ: P T Pr = ; Tr = Pc Tc X¸c ®Þnh th«ng sè Z nhê çch tÝnh nhanh cña EMR tõ ph©n tö l−îng vµ khèi l−îng riªng cña ph©n ®o¹n nÆng nhÊt trong hçn hîp khÝ ®em ph©n tÝch. • T×m gi¸ trÞ h»ng sè “k” ë gi¸ trÞ T vµ P cña hÖ tõ ®å thÞ phô thuéc cña k vµo nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt rót gän cña h¬i n−íc trªn h×nh IV.7 hoÆc tÝnh theo ph−¬ng tr×nh sau: ⎛ P0 k =⎜ w ⎜ P ⎝ ⎞ ⎛ f w0 / Pw0 ⎟⋅⎜ ⎟ ⎜ fw / P ⎠ ⎝ ⎞ ⎛ P ⎟⋅⎜ ⎟ ⎜ P0 ⎠ ⎝ w ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ 0,0049 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn (IV.4) 87 trong ®ã: Pw0 lµ ¸p suÊt h¬i n−íc ë nhiÖt ®é T cña hçn hîp; P lµ ¸p suÊt cña hÖ; f w0 lµ fugat cña h¬i n−íc ë PH02O vµ T ; f W lµ fugat cña h¬i n−íc ë P vµ T ; 0,0049 lµ h»ng sè thùc nghiÖm. ¸p suÊt, MPa k ¸p suÊt, psi H×nh IV.7. H»ng sè k ë çc nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt kh¸c nhau cña hÖ 88 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn f w , psia f w , MPa http://www.ebook.edu.vn ¸p suÊt, MPa ¸p suÊt, psia 89 H×nh IV.8. Fugat cña n−íc ë çc nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt kh¸c nhau cña hçn hîp khÝ Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Çc gi¸ trÞ thÊp ¸p suÊt rót gän P r H×nh IV.9. HÖ sè fugat f / P phô thuéc vµo nhiÖt ®é rót gän vµ ¸p suÊt rót gän cña hçn hîp khÝ 90 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn • X¸c ®Þnh fugat cña h¬i n−íc f H 2 O ë gi¸ trÞ T vµ P cña hÖ tõ ®å thÞ phô thuéc cña f w vµo nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt trªn h×nh IV.8 hoÆc tÝnh to¸n tõ çc ®−êng cong hÖ sè fugat øng víi çc gi¸ trÞ nhiÖt ®é rót gän vµ ¸p suÊt rót gän kh¸c nhau cña h¬i n−íc, biÓu diÔn trªn h×nh IV.9. • X¸c ®Þnh gi¸ trÞ f / P tõ ®å thÞ ë h×nh IV.9 øng víi çc gi¸ trÞ T r vµ P r , x¸c ®Þnh tõ b−íc 2 ë trªn, tõ ®ã tÝnh ®−îc f . • X¸c ®Þnh hµm Èm cña hçn hîp khÝ b»ng ph−¬ng tr×nh sau: Z ⎛f ⎞ (IV.5) y = k ⋅ ⎜⎜ w ⎟⎟ ⎝ f ⎠ trong ®ã: y lµ phÇn mol cña h¬i n−íc; Z x¸c ®Þnh b»ng ph−¬ng ph¸p EMR mµ kh«ng ®−îc x¸c ®Þnh b»ng çc ph−¬ng ph¸p kh¸c. KÕt qu¶ tÝnh to¸n b»ng çc ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau sÏ cho çc gi¸ trÞ hµm Èm kh¸c nhau. V× vËy, ®Ó thiÕt kÕ thiÕt bÞ dehydrat nªn sö dông gi¸ trÞ lín nhÊt. Ng−êi ta cã thÓ ®¸nh gi¸ ®é Èm hoÆc ®é b o hoµ t−¬ng ®èi cña khÝ tr−íc khi ®−a vµo thiÕt bÞ dehydrat. VÝ dô IV.1. KhÝ b o hoµ h¬i n−íc tõ thiÕt bÞ röa (scrubber) ë ¸p suÊt 7 MPa vµ nhiÖt ®é 35 0 C ®−îc ®−a tíi m¸y nÐn. T¹i ®©y khÝ ®−îc nÐn tíi ¸p suÊt 14 MPa vµ sau ®ã ®−îc lµm nguéi ®Õn nhiÖt ®é 500 C tr−íc khi vµo thiÕt bÞ dehydrat. Hái khÝ vµo thiÕt bÞ dehydrat cã b o hoµ h¬i n−íc kh«ng? Tõ ®å thÞ trªn h×nh IV.1 x¸c ®Þnh ®−îc hµm Èm cña khÝ ë 7 MPa vµ 350 C lµ 810 kg/10 6 m 3 , ë 14 MPa vµ 50 0 C lµ 1050 kg/10 6 CÊu tö yi m 3 . §iÒu ®ã cã nghÜa lµ khÝ vµo thiÕt bÞ dehydrat ë 14 N2 0,0046 MPa vµ 50 0 C míi cã 810 kg/106 m 3 , Ýt h¬n hµm Èm b o CO 2 0,0030 hoµ 1050 kg/10 6 m 3 . VËy khÝ ®−a vµo thiÕt bÞ dehydrat H2S 0,1438 ch−a b o hoµ h¬i n−íc. VÝ dô IV.2. TÝnh hµm Èm cña khÝ b o hoµ h¬i n−íc ë ¸p suÊt 1100 psi vµ nhiÖt ®é 120 0 F. Thµnh phÇn hçn hîp khÝ cho trong b¶ng bªn. Cho biÕt gi¸ trÞ Z tÝnh theo ph−¬ng ph¸p EMR Z = 0,79 ; P c = 867 psi ; T c = 436 0 R. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn C1 0,8414 C2 0,0059 C3 0,0008 i-C 4 0,0003 n-C 4 0,0002 1,0000 91 LÇn l−ît tÝnh theo çc ph−¬ng ph¸p ® xÐt ë trªn: 1. Tõ ®å thÞ trªn h×nh IV.1 ta cã: W = 97 lbm / MMscf 2. y 1 = 0,0030; y 2 = 0,1438 Tõ ®å thÞ h×nh IV.1 cã W hc = 97 lbm/MMscf Tõ ®å thÞ h×nh IV.2 cã W 1 = 130 Tõ ®å thÞ h×nh IV.3 cã W 2 = 230 W = 0,8532 × 97 + 0,003 × 130 + 0,1438 × 230 = 116 lbm/MMscf 3. Tõ ®å thÞ h×nh IV.4 cã W 1 = 120 Tõ ®å thÞ h×nh IV.5 cã W 2 = 150 W = 0,8532 × 97 + 0,003 × 120 + 0,1438 × 150 = 105 lbm/MMscf 4. ChuyÓn ®æi t−¬ng ®−¬ng phÇn mol CO2 sang phÇn mol H 2 S: 0,3 × 0,75 + 14,38 = 14,6% Tõ ®å thÞ h×nh IV.6 ta cã: W = 350 × 0,31 = 109 lbm/MMscf 5. Tõ ®å thÞ h×nh IV.7 cã k = 0,0031 Tõ ®å thÞ h×nh IV.8 cã f w = 555 TÝnh çc ®¹i l−îng rót gän (®æi 1200 F = 580 0 R): Pr′ = 1100 = 1,27 ; 867 Tr′ = 580 = 1,33 436 Tõ ®å thÞ h×nh IV.9 cã f/P = 0,85, tõ ®ã: f = 0,85 × 1100 = 935 y = 0,0031 × (555/935) 0,79 = 0,00205 W = 0,00205 × 47448 = 97,3 lbm/MMscf IV.3. ¶nh h−ëng cña Nit¬ vμ çc hydrocacbon nÆng §Õn Hμm Èm cña khÝ Nit¬ gi÷ n−íc kÐm h¬n metan. ë ¸p suÊt 7,0 MPa, hµm Èm cña nit¬ nhá h¬n hµm Èm cña metan 6 ... 9%. Chªnh lÖch ®ã sÏ t¨ng khi ¸p suÊt t¨ng. 92 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Ng−îc l¹i, sù cã mÆt cña çc hydrocacbon nÆng l¹i lµm t¨ng hµm Èm cña khÝ vµ sù chªnh lÖch nµy còng phô thuéc vµo ¸p suÊt cña hÖ, ë ¸p suÊt tiªu chuÈn sù chªnh lÖch nµy lµ nhá. ¶ nh h−ëng cña nit¬ vµ çc hydrocacbon nÆng lµ nh− nhau trong nhiÒu hçn hîp khÝ. IV.4. Hμm Èm c©n b»ng cña çc hydrat Hµm Èm, lbm/MMsdf H×nh IV.1 ë trªn biÓu diÔn çc ®−êng cong phô thuéc cña nhiÖt ®é ®iÓm s−¬ng vµo hµm Èm ë çc ¸p suÊt kh¸c nhau cña hÖ dùa trªn c¬ së coi n−íc ng−ng tô lµ pha láng. Tuy nhiªn, ë nhiÖt ®é thÊp h¬n nhiÖt ®é t¹o hydrat cña khÝ, pha “ng−ng tô” kh«ng ph¶i lµ láng mµ lµ pha r¾n ®−îc gäi lµ hydrat. Tr¹ng th¸i chuyÓn tiÕp tõ láng thµnh hydrat gäi lµ tr¹ng th¸i láng ch−a æn ®Þnh, “metastable”. §−êng hµm Èm c©n b»ng cña khÝ - hydrat sÏ n»m phÝa d−íi ®−êng c©n b»ng khÝ - metastable. H×nh IV.10 biÓu diÔn hµm Èm cña hçn hîp khÝ chøa 94,69% CH 4 vµ 5,31% C 3 H 8 . Sù h×nh thµnh hydrat phô thuéc vµo nhiÒu yÕu tè: thµnh phÇn hçn hîp khÝ, sù cã mÆt cña çc chÊt t¹o mÇm, nhiÖt ®é, ¸p suÊt, møc ®é khuÊy trén... Hµm Èm cña khÝ phô thuéc rÊt nhiÒu vµo thµnh phÇn hçn hîp khÝ, çc sè liÖu ®−a ra trªn h×nh IV.10 kh«ng thÓ ngo¹i suy cho çc hçn hîp khÝ cã thµnh phÇn kh¸c. Láng kh«ng æn ®Þnh Hydrat ho¸ NhiÖt ®é, 0 F H×nh IV.10. Hµm Èm cña hçn hîp khÝ 5,31% C 3 vµ 94,69% C 1 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 93 Khi thiÕt kÕ s¬ ®å c«ng nghÖ sÊy khÝ, vÝ dô hÖ thèng thiÕt bÞ sÊy khÝ b»ng trietylen glycol, sÏ gÆp gi¸ trÞ ®iÓm s−¬ng v« cïng thÊp cña hçn hîp khÝ sau khi sÊy, vµ nh− vËy cÇn ph¶i x¸c ®Þnh hµm Èm c©n b»ng cña khÝ nhê çc ®−êng hµm Èm c©n b»ng cña hçn hîp khÝ t−¬ng tù nh− trªn h×nh IV.10. NÕu sö dông ®−êng metastable sÏ −íc l−îng hµm Èm qu¸ thÊp t¹i gi¸ trÞ ®iÓm s−¬ng t−¬ng øng, nh− vËy kÕt qu¶ thiÕt kÕ hÖ thèng sÊy khÝ kh«ng thùc tÕ, kh«ng thÓ thùc hiÖn ®−îc. IV.5. Sù t¹o thμnh hydrat IV.5.1. CÊu tróc tinh thÓ hydrat N−íc cã trong hçn hîp khÝ lu«n lu«n t¹o thµnh hydrat víi çc cÊu tö cã trong thµnh phÇn hçn hîp khÝ. Çc hydrat nµy cã cÊu tróc tinh thÓ vµ vÒ b¶n chÊt lµ çc dung dÞch r¾n, cßn dung m«i lµ çc ph©n tö n−íc liªn kÕt víi nhau b»ng liªn kÕt hydro. Çc ph©n tö hydrocacbon nhÑ (metan, etan, propan butan) th©m nhËp vµo m¹ng l−íi nµy t¹o thµnh m¹ng tinh thÓ hydrat bÒn v÷ng. VÒ cÊu tróc çc tinh thÓ hydrat cã hai lo¹i « m¹ng c¬ së nh− m« t¶ trªn h×nh IV.11. Çc chÊm trßn chØ çc ph©n tö n−íc, çc ®o¹n th¼ng chØ liªn kÕt hydro. B»ng ph−¬ng ph¸p nhiÔu x¹ R¬nghen ® cho thÊy cÊu tróc tinh thÓ hydrat cã d¹ng 12 mÆt, mçi mÆt lµ h×nh 5 c¹nh. CÊu tróc nµy cã thÓ biÕn ®æi thµnh çc d¹ng 14 mÆt (14-hedron nh− h×nh vÏ m« t¶ cÊu tróc I) vµ 16 mÆt (16-hedron nh− h×nh vÏ m« t¶ cÊu tróc II). CÊu tróc I 14-hedron 12-hedron CÊu tróc II o 5A D¹ng cÊu tróc I (14-hedron) cã 16-hedron h»ng sè m¹ng lµ 12 Å, chøa 46 ph©n tö n−íc s¾p xÕp h×nh thµnh 8 lç trèng, H×nh IV.11. ¤ m¹ng c¬ së cña trong ®ã cã 2 lç trèng ë d¹ng 12 mÆt, tinh thÓ hydrat 6 lç trèng cßn l¹i cã d¹ng 14 mÆt. Çc ph©n tö metan cã thÓ chui vµo bÊt kú lç trèng nµo, trong khi çc ph©n tö etan chØ cã thÓ chui vµo çc lç trèng lín. Nh−ng còng cã mét vµi « m¹ng kh«ng bÞ çc ph©n tö hydrocacbon chui vµo chiÕm chç, do çc ph©n tö nµy cã ®Þnh h−íng kh«ng phï hîp. Çc 94 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn hydrocacbon cã cÊu tróc ph©n tö cång kÒnh h¬n nh− propan vµ butan kh«ng thÓ chui vµo çc lç trèng thuéc lo¹i cÊu tróc I nµy. D¹ng « m¹ng tinh thÓ thø hai, cÊu tróc II, 16 mÆt, cã h»ng sè m¹ng lµ 17 Å. ¤ m¹ng c¬ së chøa 136 ph©n tö n−íc. Víi cÊu trôc chøa 16 lç trèng nhá d¹ng 12 mÆt vµ 8 lç trèng lín d¹ng 12 mÆt (cã 4 mÆt 6 c¹nh vµ 12 mÆt 5 c¹nh). D¹ng cÊu tróc II nµy cã thÓ bÉy ®−îc çc ph©n tö lín nh− propan, n-butan, izo-butan. Ngoµi yÕu tè kÝch th−íc ph©n tö, yÕu tè thø hai cã ¶nh h−ëng ®Õn sù h×nh thµnh hydrat lµ tÝnh hoµ tan trong n−íc cña çc hydrocacbon. Sù cã mÆt cña çc t¹p chÊt nh− H 2 S, CO 2 , N 2 cã ¶nh h−ëng ®¸ng kÓ ®Õn sù t¹o thµnh hydrat. XÐt sù t¹o thµnh hydrat cña CH 4 , C 3 H 6 vµ H 2 S. ë mét nhiÖt ®é ® cho, hydrat metan tinh khiÕt ®−îc t¹o thµnh ë ¸p suÊt lín h¬n so víi hydrat propan, mÆc dï ®é hoµ tan trong n−íc cña metan lín h¬n propan, nh−ng do çc ph©n tö metan cã ®é linh ®éng lín h¬n, chuyÓn ®éng tù do, v× vËy khã bÞ bÉy bëi çc « m¹ng hydrat. T−¬ng tù nh− vËy, çc ph©n tö H 2 S cã ®é tan trong n−íc kÐm h¬n metan nh−ng t¹o thµnh cïng mét lo¹i cÊu tróc hydrat dÔ dµng h¬n. Sù t¹o thµnh hydrat cßn phô thuéc çc d¹ng n¨ng l−îng nh− lùc hót, lùc ®Èy, lùc quay, lùc liªn kÕt ë tr¹ng th¸i c©n b»ng. Khi mét tinh thÓ hydrat ®−îc h×nh thµnh th× cÊu tróc liªn kÕt hydro sÏ kh«ng bÞ ph¸ vì cho ®Õn khi mÊt c©n b»ng lùc liªn kÕt hydro bÞ gi¶m ®i vµ liªn kÕt bÞ bÎ gÉy. Ng−êi ta ® x¸c ®Þnh ®−îc mét sè tinh thÓ hydrat ®iÓn h×nh: CH4.5,9H 2 O; H 2 S.6,1H 2 O; CO 2 .6H 2 O; N 2 .6H 2 O; C 3 H 8 .17H 2 O; C 2 H 6 .8,2H 2 O; izo-C 4 H 10 .17H 2 O. n-C 4 H 10 cã thÓ t¹o hydrat nh−ng kh«ng bÒn, dÔ bÞ ph©n huû. TÊt c¶ çc parafin lín h¬n butan kh«ng t¹o thµnh hydrat. Hçn hîp khÝ tù nhiªn dÔ t¹o thµnh hydrat h¬n çc cÊu tö tinh khiÕt v× cã kh¶ n¨ng bÞ bÉy trong c¶ ba d¹ng lç trèng kÓ trªn, do ®ã m¹ng l−íi tinh thÓ hydrat æn ®Þnh h¬n. Nh− vËy, hçn hîp çc ph©n tö cã kÝch th−íc kh¸c nhau thuËn lîi cho sù h×nh thµnh hydrat. Çc tinh thÓ hydrat riªng biÖt t¹o thµnh trong n−íc ë tr¹ng th¸i láng. ChØ trong ®iÒu kiÖn pha láng míi cã ®ñ nång ®é vµ møc n¨ng l−îng cÇn thiÕt ®Ó t¹o thµnh liªn kÕt hydro. Nh÷ng tinh thÓ hydrat nµy rÊt nhá, nh−ng chóng cã thÓ ph¸t triÓn lªn thµnh nh÷ng tinh thÓ lín h¬n. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 95 IV.5.2. C©n b»ng qu¸ tr×nh t¹o hydrat Trªn h×nh IV.12 lµ çc ®−êng cong ®Æc tr−ng cña qu¸ tr×nh t¹o hydrat cña çc cÊu tö trong khÝ tù nhiªn, cho biÕt ®iÒu kiÖn h×nh thµnh hydrat: miÒn phÝa d−íi vµ bªn ph¶i çc ®−êng nµy kh«ng t¹o thµnh çc hydrat. ë gi¸ trÞ nhiÖt ®é nµo ®Êy ®−êng c©n b»ng trë thµnh th¼ng ®øng, gi¸ trÞ nhiÖt ®é ®ã ®−îc gäi lµ nhiÖt ®é cùc ®¹i cña qu¸ tr×nh t¹o hydrat cña çc cÊu tö ®ã. H×nh IV.13 m« t¶ çc ®Æc tÝnh cña hÖ propan-n−íc: ë T 0 < 0 0 C (32 0 F): tån t¹i c¶ hai d¹ng n−íc ®¸ vµ hydrat ë phÝa trªn ®−êng cong c©n b»ng, cßn ë phÝa d−íi ®−êng cong chØ cã n−íc ®¸ vµ h¬i. ë T 0 > 0 0 C (32 0 F): hydrat ë pha r¾n chØ cã bªn tr¸i ®−êng cong c©n b»ng t¹o hydrat. NhiÖt ®é t¹i ranh giíi gi÷a hai miÒn lµ nhiÖt ®é cùc ®¹i t¹o hydrat cña cÊu tö tinh khiÕt (trong tr−êng hîp nµy lµ propan). NhiÖt ®é, O C 0 10 000 5 10 15 5000 20 25 30 70 50 Metan 3000 20 10 1000 700 500 7,0 5,0 CO 2 300 200 3,0 Etan 2,0 H2S 100 70 50 1,0 0,7 0,5 Propan 0,3 30 0,2 ← 1-Butan ← n-Butan 20 10 30 40 0,1 50 60 NhiÖt ®é, O F 70 80 90 H×nh IV.12. §iÒu kiÖn t¹o hydrat cña çc cÊu tö trong khÝ tù nhiªn 96 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ¸p suÊt, MPa ¸p suÊt, psi 2000 1,0 ¸p suÊt , MPa Hydrat 0,5 §−êng ¸p suÊt h¬i cña propan + Propan láng + N−íc N−íc Hydrat + N−íc ®¸ H¬i + N−íc 0,1 -20 H¬i + N−íc ®¸ -15 -10 -5 0 NhiÖt ®é, O C 5 10 H×nh I.13. §iÒu kiÖn t¹o hydrat cña propan IV.6. Dù ®o¸n kh¶ n¨ng t¹o thμnh hydrat TÊt c¶ çc ph−¬ng ph¸p dù ®o¸n kh¶ n¨ng t¹o thµnh hydrat chØ ¸p dông cho hÖ khÝ − n−íc ë tr¹ng th¸i c©n b»ng æn ®Þnh vµ ch¾c ch¾n kh«ng cã hydrocacbon láng vµ n−íc ®¸ cã mÆt trong hÖ. Mét l−îng nhá hydrocacbon còng ¶nh h−ëng ®Õn nhiÖt ®é t¹o hydrat. IV.6.1. Ph−¬ng ph¸p sö dông h»ng sè c©n b»ng r¾n - khÝ K r-k Katz vµ çc céng sù ® ®−a ra ph−¬ng ph¸p dïng K r-k ®Ó dù ®o¸n kh¶ n¨ng t¹o hydrat. ë mét ¸p suÊt nhÊt ®Þnh, nhiÖt ®é t¹o hydrat lµ nhiÖt ®é t¹i ®ã tho¶ m n ®iÒu kiÖn sau: ∑ ( yi /K r −k ) = 1 (IV.6) i trong ®ã: y i lµ phÇn mol cña cÊu tö i trong hçn hîp khÝ; K r-k lµ h»ng sè c©n b»ng pha cña çc cÊu tö, ®−îc x¸c ®Þnh b»ng ®å thÞ trªn çc h×nh IV.14 ®Õn IV.20. Nh÷ng ph−¬ng ph¸p nµy cã thÓ ¸p dông víi tr−êng hîp ¸p suÊt cña hÖ lªn tíi 7 MPa (1000 psi). Gi¸ trÞ K r-k ®èi víi nit¬ kh«ng x¸c ®Þnh. §èi víi izo-butan, n-butan vµ H 2 S, K r-k nhËn gi¸ trÞ nhá h¬n 1 trong kho¶ng réng nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 97 Metan NhiÖt ®é, 0 F NhiÖt ®é, 0 C H×nh IV.14. Gi¸ trÞ K r − k cña metan VÝ dô IV.3 T×m nhiÖt ®é t¹o hydrat cña hçn hîp khÝ ë ¸p suÊt 2 MPa (290 psi) cã thµnh phÇn cho trong b¶ng d−íi ®©y: CÊu tö 98 y1 10 0 C (50 0 F) K r-k y /K r-k N2 0,094 kh«ng x¸c ®Þnh 0 CH 4 0,784 2,04 0,384 C2H6 0,060 0,82 0,073 C3H8 0,036 0,12 0,300 izo-C 4 H 10 0,005 0,047 0,106 n-C 4 H 10 0,019 0,21 0,090 CO 2 0,002 2,9 0,001 Σ 1,000 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 0,954 Nh− vËy, ë nhiÖt ®é 10 0 C (50 0 F) tæng ∑ y i /K r-k = 0,954 vµ biÓu thøc (IV.6) trªn ch−a tho¶ m n. TiÕp tôc tÝnh tæng ®ã t¹i nhiÖt ®é kh¸c. Trong vÝ dô nµy kÕt qu¶ tÝnh cho thÊy nhiÖt ®é t¹o hydrat ë vµo kho¶ng 9,5 0 C (49 0 F). IV.6.2. Ph−¬ng ph¸p Trekell - Campbell Ph−¬ng ph¸p cña Katz ë trªn kh«ng tÝnh ®Õn ¶nh h−ëng cña çc hydrocacbon nÆng tõ C 5 trë lªn. Trong ph−¬ng ph¸p Trekell - Campbell, çc t¸c gi¶ coi metan lµ thµnh phÇn chÝnh, sau ®ã hiÖu chØnh ¶nh h−ëng cña çc hydrocacbon tõ C 2 ®Õn C 4 ë çc ¸p suÊt kh¸c nhau theo çc ®å thÞ thùc nghiÖm trªn çc h×nh IV.21a ®Õn IV.21g. Trªn h×nh IV.22 lµ ¶nh h−ëng cña çc d¹ng kh«ng t¹o thµnh hydrat (tõ C 5 H 12 trë lªn), sù hiÖu chØnh chªnh lÖch nhiÖt ®é ¸p dông theo biÓu thøc sau: y C 5+ 1 − y C1 − y C 5+ .100% (IV.7) Tû lÖ nµy cµng t¨ng th× ®iÒu kiÖn t¹o thµnh hydrat cña hçn hîp khÝ cµng khã kh¨n h¬n, cã nghÜa lµ ΔT nhËn gi¸ trÞ ©m. Tr×nh tù tÝnh to¸n dù ®o¸n kh¶ n¨ng t¹o hydrat cña hçn hîp khÝ nh− sau: 1. ë P = 6,9 MPa (h×nh IV.21a), x¸c ®Þnh nhiÖt ®é t¹o hydrat b»ng çch céng ®¹i sè çc gi¸ trÞ chªnh lÖch nhiÖt ®é ΔT ®äc ®−îc trªn trôc hoµnh víi nhiÖt ®é t¹o hydrat cña metan lµ 9,50 C. 2. Sau ®ã hiÖu chØnh nhiÖt ®é nµy víi C 5+ (nÕu cã) theo ®å thÞ trªn h×nh IV.22, trªn trôc tung biÓu diÔn çc gi¸ trÞ phÇn mol cña C 5+ , çc ch÷ sè trªn çc ®−êng cong t−¬ng øng víi çc gi¸ trÞ cña biÓu thøc (IV.7) ë trªn, trªn trôc hoµnh sÏ cho gi¸ trÞ (−ΔT) cÇn t×m. 3. TÝnh t−¬ng tù víi çc gi¸ trÞ ¸p suÊt kh¸c nhê çc ®å thÞ trªn çc h×nh IV.21b ®Õn IV.21g. 4. X©y dùng ®−êng cong t¹o thµnh hydrat cña hçn hîp khÝ ë çc nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt ® tÝnh to¸n. Chó ý çc ®−êng cong trªn çc h×nh IV.21a ®Õn IV.21g lµ çc ®−êng cong thùc nghiÖm nªn kh«ng thÓ ngo¹i suy cho çc tr−êng hîp kh¸c. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 99 VÝ dô IV.4 TÝnh nhiÖt ®é t¹o hydrat cña hçn hîp khÝ cã thµnh phÇn cho trong b¶ng d−íi ®©y: CÊu tö ΔT, 0C y1 , % 6,9 MPa 13,8 MPa CH 4 88,36 9,5 15,36 C2H6 6,82 2,9 2,2 C3H8 2,54 4,6 3,2 i-C 4 H 10 0,38 1,3 0,8 n-C 4 H 10 0,89 0,2 0 C 5+ 1,01 −1,2 −0,08 100,00 17,3 Σ 21,48 Víi gi¸ trÞ cña biÓu thøc (IV.7): yC 5+ 1 − y C1 − y C 5 + ⋅ 100% = 9,5% Nh− vËy nhiÖt ®é t¹o hydrat cña hçn hîp khÝ cã thµnh phÇn trªn ë ¸p suÊt 6,9 MPa lµ 17,3 0 C ; ë ¸p suÊt 13,8 MPa lµ 21,48 0 C. TÝnh to¸n t−¬ng tù víi çc ¸p suÊt kh¸c sÏ nhËn ®−îc ®−êng c©n b»ng t¹o hydrat cña hçn hîp khÝ ® cho. 100 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 0 F NhiÖt ®é, 0 F http://www.ebook.edu.vn NhiÖt ®é, 0 C 101 0 H×nh IV.15. Gi¸ trÞ K r-k cña etan Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn H×nh IV.16. Gi¸ trÞ K r-k cña propan C 102 NhiÖt ®é, 0 F NhiÖt ®é, 0 C K VS K http://www.ebook.edu.vn NhiÖt ®é, 0 F H×nh IV.17. Gi¸ trÞ K r-k cña izo-butan Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn H×nh IV.18. Gi¸ trÞ K r-k cña n-butan NhiÖt ®é, o F K r-k NhiÖt ®é, o C H×nh IV.19. Gi¸ trÞ K V − S cña CO 2 NhiÖt ®é, o F K r-k NhiÖt ®é, o C H×nh IV.20. Gi¸ trÞ K V − S cña H 2 S http://www.ebook.edu.vn 103 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn PhÇn tr¨m mol hydrocacbon §é chªnh lÖch nhiÖt ®é ΔT, 0 C NhiÖt ®é t¹o hydrat metan: 9,5 0 C (49,1 0 F) §é chªnh lÖch nhiÖt ®é ΔT, 0 F H×nh IV.21a. §iÒu kiÖn t¹o hydrat cña hçn hîp khÝ ë ¸p suÊt 6,9 MPa (1000 psi) 104 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn PhÇn tr¨m mol hydrocacbon §é chªnh lÖch nhiÖt ®é ΔT, 0 C NhiÖt ®é t¹o hydrat metan: 15,36 0 C (59,65 0 F) §é chªnh lÖch nhiÖt ®é ΔT, 0 F H×nh IV.21b. §iÒu kiÖn t¹o hydrat cña hçn hîp khÝ ë ¸p suÊt 13,8 MPa (2000 psi) http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 105 PhÇn tr¨m mol hydrocacbon §é chªnh lÖch nhiÖt ®é ΔT, 0 C NhiÖt ®é t¹o hydrat metan: 18,64 0 C (65,55 0 F) §é chªnh lÖch nhiÖt ®é ΔT, 0 F H×nh IV.21c. §iÒu kiÖn t¹o hydrat cña hçn hîp khÝ ë ¸p suÊt 20,7 MPa (3000 psi) 106 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn PhÇn tr¨m mol hydrocacbon §é chªnh lÖch nhiÖt ®é ΔT, 0 F NhiÖt ®é t¹o hydrat metan: 20,97 0 C (69,75 0 F) §é chªnh lÖch nhiÖt ®é ΔT, 0 F H×nh IV.21d. §iÒu kiÖn t¹o hydrat cña hçn hîp khÝ ë ¸p suÊt 27,6 MPa (4000 psi) http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 107 PhÇn tr¨m mol hydrocacbon §é chªnh lÖch nhiÖt ®é ΔT, 0 C NhiÖt ®é t¹o hydrat metan: 22,78 0 C (73,00 0 F) §é chªnh lÖch nhiÖt ®é ΔT, 0 F H×nh IV.21e. §iÒu kiÖn t¹o hydrat cña hçn hîp khÝ ë ¸p suÊt 34,5 MPa (5000 psi) 108 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn PhÇn tr¨m mol hydrocacbon §é chªnh lÖch nhiÖt ®é ΔT, 0 C NhiÖt ®é t¹o hydrat metan: 24,22 0 C (75,60 0 F) §é chªnh lÖch nhiÖt ®é ΔT, 0 F H×nh IV.21g. §iÒu kiÖn t¹o hydrat cña hçn hîp khÝ ë ¸p suÊt 41,4 MPa (6000 psi) http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 109 110 §é chªnh lÖch nhiÖt ®é −ΔT, 0 C PhÇn tr¨m mol C 5+ PhÇn tr¨m mol C 5+ §é chªnh lÖch nhiÖt ®é −ΔT, 0 C http://www.ebook.edu.vn §é chªnh lÖch nhiÖt ®é −ΔT, 0 F 6,9 MPa (1000 psi) §é chªnh lÖch nhiÖt ®é −ΔT, 0 F 13,8 ... 41,4 MPa (2000 ... 6000 psi) H×nh IV.22. HiÖu chØnh cho çc cÊu tö kh«ng t¹o hydrat Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn phÇn II çc qu¸ tr×nh c«ng nghÖ c¬ b¶n chÕ biÕn khÝ http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 111 112 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Ch−¬ng V chuÈn bÞ khÝ ®Ó chÕ biÕn KhÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh lµ nh÷ng nguyªn liÖu rÊt cã gi¸ trÞ ®Ó s¶n xuÊt nhiªn liÖu vµ nguyªn liÖu cho tæng hîp ho¸ dÇu. Çc s¶n phÈm chÝnh cña qu¸ tr×nh chÕ biÕn çc khÝ ®ã lµ: x¨ng khÝ, khÝ ho¸ láng vµ çc khÝ kh«, çc hydrocacbon: propan, izo-butan, n-butan, pentan. ChÕ biÕn khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh ®−îc thùc hiÖn ë çc nhµ m¸y ®Æt ngay t¹i xÝ nghiÖp khai th¸c, chÕ biÕn khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh. T¹i çc giµn khoan, dÇu má tõ çc giÕng khoan ®−îc chuyÓn ®Õn çc giµn ¸p suÊt cao, trung b×nh vµ thÊp. T¹i ®ã cã sù thay ®æi ¸p suÊt, khÝ hoµ tan tho¸t ra khái dÇu má vµ ®−îc dÉn ®Õn nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ. DÇu má ®−îc chuyÓn ®Õn thïng chøa, t¹i ®ã l¾ng t¸ch n−íc khái dÇu, sau ®ã ®−a sang æn ®Þnh tøc lµ t¸ch çc cÊu tö nhÑ: etan, propan, butan vµ mét phÇn pentan. DÇu ® æn ®Þnh ®−îc dÉn ®Õn nhµ m¸y chÕ biÕn dÇu, cßn khÝ t¸ch ra tõ c«ng ®o¹n æn ®Þnh còng ®−îc dïng lµm nguyªn liÖu cho çc nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ. KhÝ sau khi khai th¸c ngoµi çc cÊu tö chÝnh lµ çc hydrocacbon parafin cßn chøa çc t¹p chÊt nh−: bôi, h¬i n−íc, khÝ tr¬, CO 2 , H 2 S vµ çc hîp chÊt h÷u c¬ cña S. Tr−íc khi ®−a vµo chÕ biÕn, khÝ cÇn ph¶i qua c«ng ®o¹n chuÈn bÞ, t¹i ®ã tiÕn hµnh lo¹i bá çc t¹p chÊt kÓ trªn b»ng çc qu¸ tr×nh t¸ch bôi, t¸ch h¬i n−íc vµ çc khÝ axit. V.1. Lμm s¹ch khÝ khái çc t¹p chÊt c¬ häc Lµm s¹ch khÝ tù nhiªn khái çc t¹p chÊt c¬ häc ®−îc thùc hiÖn chñ yÕu nhê çc thiÕt bÞ c¬ häc. Ng−êi ta ph©n biÖt thµnh hai nhãm çc ph−¬ng ph¸p lµm s¹ch: kh« vµ −ít. §Ó lµm s¹ch kh« ng−êi ta sö dông çc thiÕt bÞ t¸ch bôi: xyclon, l¾ng bôi vµ läc ®iÖn. Ho¹t ®éng cña xyclon dùa vµo nguyªn lý sö dông lùc ly t©m, xuÊt hiÖn khi dßng khÝ cã chøa bôi ®−îc thæi víi tèc ®é cao theo ph−¬ng tiÕp tuyÕn víi thµnh thiÕt bÞ vµ sau ®ã theo ®−êng xo¸y tr«n èc (h×nh V.1). Bôi v¨ng ra khái dßng khÝ do lùc ly t©m r¬i xuèng thïng chøa, cßn dßng khÝ ® s¹ch bôi ®−îc dÉn ra theo èng dÉn ë t©m xyclon. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 113 Khi quay çc h¹t bôi chÞu t¸c dông cña lùc ly t©m: 4 3 2 πr ρω 0 f = 3 g×R II (V.1) I trong ®ã: r lµ b¸n kÝnh h¹t bôi, m; ρ lµ tû träng h¹t, kg/m3 ; ω0 lµ tèc I 1 ®é quay cña khÝ trong xyclon, m/s; g lµ gia tèc träng tr−êng, m/s2; R lµ b¸n kÝnh xyclon. Tõ c«ng thøc (V.1) thÊy r»ng, lùc ly t©m cµng lín khi b¸n kÝnh xyclon R cµng nhá. Khi cÇn lµm s¹ch l−îng khÝ lín ng−êi ta ®Æt mét chïm xyclon tõ 4 ®Õn 8 èng. Trong thùc tÕ ng−êi ta sö dông nh÷ng côm xyclon cã tõ hµng chôc tíi hµng tr¨m èng xyclon ghÐp víi nhau thµnh tæ hîp. 2 3 H×nh V.1. S¬ ®å xyclon 1. Thïng xyclon; 2. Thïng chøa bôi; 3. Van th¸o bôi; I. KhÝ vµo cã chøa bôi; II. KhÝ s¹ch ®i ra. Møc ®é lµm s¹ch khÝ ®−îc ®¸nh gi¸ theo hÖ sè lµm s¹ch γ , lµ tû sè gi÷a khèi l−îng bôi bÞ gi÷ l¹i trong thiÕt bÞ víi l−îng bôi ®i vµo thiÕt bÞ trong mét ®¬n vÞ thêi gian (tÝnh theo %): γ = G1 G − G2 × 100 = 0 × 100 G0 G0 (V.2) G 1 lµ l−îng bôi bÞ gi÷ l¹i trong thiÕt bÞ; G 0 lµ l−îng bôi ®i vµo thiÕt bÞ; G 2 lµ l−îng bôi ®i ra khái thiÕt bÞ. HÖ sè lµm s¹ch phô thuéc vµo kÝch th−íc h¹t bôi vµ ®−êng kÝnh xyclon. Nguyªn lý lµm viÖc cña thiÕt bÞ dùa trªn c¬ së thay ®æi tèc ®é chuyÓn ®éng cña dßng khÝ do sù thay ®æi ®ét ngét cña ®−êng kÝnh xyclon, çc h¹t bôi d−íi t¸c dông cña träng lùc r¬i xuèng ®¸y thïng chøa bôi. Tèc ®é l¾ng bôi cã thÓ biÓu diÔn b»ng ph−¬ng tr×nh Stockes: ω= 114 d 2 (γ 1 − γ 2 ) ×g 18 ⋅ η http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn (V.3) trong ®ã: ω lµ tèc ®é l¾ng çc h¹t bôi, cm/s; d lµ ®−êng kÝnh h¹t bôi, cm; γ 1 lµ khèi l−îng riªng cña bôi, g/cm3 ; γ 2 lµ khèi l−îng riªng cña khÝ, g/cm3 ; g lµ gia tèc träng tr−êng, cm/s 2 ; η lµ ®é nhít ®éng lùc cña khÝ, g/cm.s. Khi t¨ng ¸p suÊt trong thiÕt bÞ l¾ng bôi, tû träng vµ ®é nhít ®éng häc trong khÝ t¨ng lªn vµ do ®ã lµm gi¶m tèc ®é l¾ng çc h¹t bôi. Víi sù t¨ng nhiÖt ®é, tû träng khÝ gi¶m vµ ®é nhít ®éng häc cña khÝ t¨ng lªn. Nh−ng sù thay ®æi cña ®é nhít ¶nh h−ëng Ýt h¬n sù thay ®æi cña tû träng khÝ, do ®ã tèc ®é l¾ng bôi t¨ng lªn. Nh− vËy, ®iÒu kiÖn tèi −u ®Ó l¾ng çc h¹t bôi trong thiÕt bÞ xyclon lµ gi¶m ¸p suÊt vµ t¨ng nhiÖt ®é. ViÖc lµm s¹ch bôi trong khÝ ®−îc thùc hiÖn cã hiÖu qu¶ h¬n nhê thiÕt bÞ läc ®iÖn. Nguyªn lý lµm viÖc cña nã dùa trªn c¬ së qu¸ tr×nh ion ho¸ khÝ, tøc lµ ph©n ly çc ph©n tö khÝ thµnh çc ion tÝch ®iÖn ©m vµ d−¬ng chuyÓn ®éng tíi çc ®iÖn cùc tr¸i dÊu. Khi t¨ng hiÖu ®iÖn thÕ gi÷a çc ®iÖn cùc ®Õn vµi ngµn v«n th× ®éng n¨ng cña çc ion vµ ®iÖn tö t¨ng lªn ®ñ lín ®Ó cho khi va ch¹m víi çc ph©n tö khÝ sÏ ph©n ly çc ph©n tö thµnh ion vµ nh− vËy khÝ bÞ ion ho¸ hoµn toµn. Khi ®ã quan s¸t ®−îc sù ph¸t s¸ng yÕu cña khÝ quanh d©y dÉn nh− “v−¬ng miÖn”. Çc ion tõ ®iÖn cùc “v−¬ng miÖn” chuyÓn ®éng tíi ®iÖn cùc kh¸c, th−êng lµ cùc d−¬ng vµ b¸m vµo ®ã. Khi chuyÓn ®éng trong khÝ cã bôi, çc ion ©m lµm cho bôi nhiÔm ®iÖn vµ kÐo theo c¶ bôi tíi ®iÖn cùc kÕt tña (®iÖn cùc d−¬ng). Çc h¹t bôi phãng ®iÖn t¹i ®iÖn cùc nµy vµ r¬i xuèng do träng l−îng cña nã hoÆc bÞ bay ra khi cã rung ®éng. ThiÕt bÞ läc ®iÖn chØ lµm viÖc víi dßng ®iÖn mét chiÒu, ®iÖn thÕ cao 40 ... 75 kV. §Ó t¨ng kh¶ n¨ng dÉn ®iÖn cña bôi vµ do ®ã lµm cho bôi l¾ng tèt h¬n, ng−êi ta lµm Èm khÝ. Cã hai lo¹i thiÕt bÞ läc ®iÖn: lo¹i èng vµ lo¹i b¶n. Çc thiÕt bÞ läc ®iÖn cã møc ®é lµm s¹ch khÝ cao, tõ 90 ®Õn 98%. §èi víi nh÷ng khÝ Èm cã chøa nhiÒu dÇu má nguyªn khai, ng−êi ta dïng thiÕt bÞ läc scrubber, xyclon Èm, m¸y röa quay,... Tèc ®é dßng khÝ cã thÓ ®¹t tõ 0,5 ®Õn 1,5 m/sec. Nh÷ng thiÕt bÞ läc khÝ kiÓu nµy cã ®é lµm s¹ch khÝ tõ 80 ®Õn 90%. Trong qu¸ tr×nh thiÕt bÞ lµm viÖc t¹o thµnh mét thÓ tÝch bät kh¸ lín, do ®ã nh÷ng thiÕt bÞ lo¹i nµy cßn cã tªn lµ thiÕt bÞ bät. Çc thiÕt bÞ bät lo¹i ®−îc 98 ... 99% bôi cã ®−êng kÝnh lín h¬n 5 μm vµ 75 ... 80% bôi cã ®−êng kÝnh nhá h¬n 5 μm. S¬ ®å thiÕt bÞ bät xem ë h×nh V.2. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 115 4 1 H×nh V.2. S¬ ®å thiÕt bÞ bät II 5 2 II III IV 3 1. Vá thiÕt bÞ; 2. L−íi ph©n phèi; 3. Thïng chøa; 4. PhÔu thu khÝ; 5. PhÔu rãt láng; I. KhÝ cã chøa bôi; II. KhÝ s¹ch ®i ra; III. DÇu s¹ch; IV. DÇu cã chøa bôi. V.2. Çc ph−¬ng ph¸p h¹n chÕ sù t¹o thμnh hydrat trong qu¸ tr×nh chÕ biÕn khÝ Sù cã mÆt cña n−íc trong khÝ cã thÓ t¹o çc hydrat, c¶n trë qu¸ tr×nh vËn hµnh cña çc thiÕt bÞ trong qu¸ tr×nh chÕ biÕn khÝ (nh− b¬m, qu¹t, m¸y nÐn...). §Ó h¹n chÕ t¸c h¹i cña hiÖn t−îng nµy, khÝ cÇn ®−îc dehydrat b»ng çch sÊy khÝ hoÆc trén thªm vµo khÝ t¸c nh©n øc chÕ qu¸ tr×nh t¹o hydrat. V.2.1. Qu¸ tr×nh sÊy khÝ b»ng ph−¬ng ph¸p hÊp thô Môc ®Ých cña qu¸ tr×nh sÊy khÝ lµ lµm gi¶m hµm l−îng n−íc cã trong khÝ sao cho ¸p suÊt riªng phÇn cña h¬i n−íc nhá h¬n ¸p suÊt h¬i b o hoµ cña hydrat. Trong c«ng nghÖ chÕ biÕn khÝ, cã rÊt nhiÒu ph−¬ng ph¸p lµm gi¶m hµm l−îng Èm cã trong khÝ ®−îc sö dông. Ph−¬ng ph¸p ®¬n gi¶n nhÊt lµ lµm l¹nh khÝ Èm ®Õn nhiÖt ®é d−íi nhiÖt ®é ®iÓm s−¬ng cña hçn hîp khÝ. H¬i n−íc sÏ bÞ ng−ng tô vµ t¸ch khái khÝ d−íi d¹ng nh÷ng h¹t s−¬ng. Nh−ng trong ®a sè tr−êng hîp nÕu chØ lµm l¹nh sÏ kh«ng ®ñ vµ khã ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh. HiÖn nay çc ph−¬ng ph¸p hÊp thô vµ hÊp phô ®−îc sö dông rÊt phæ biÕn. Çc chÊt hÊp thô dïng ®Ó sÊy khÝ ph¶i ®¸p øng nh÷ng yªu cÇu sau: • Cã kh¶ n¨ng hÊp thô h¬i n−íc trong kho¶ng réng nång ®é, ¸p suÊt, nhiÖt ®é. • Cã ¸p suÊt h¬i b o hoµ thÊp ®Ó mÊt m¸t trong qu¸ tr×nh lµ Ýt nhÊt. • NhiÖt ®é s«i kh¸c nhiÖt ®é s«i cña n−íc ®Ó cã thÓ dÔ dµng t¸ch n−íc (dÔ dµng nh¶ hÊp thô ®Ó t¸i sinh chÊt hÊp thô). • §é nhít thÊp ®¶m b¶o tiÕp xóc tèt víi hçn hîp khÝ trong thiÕt bÞ hÊp 116 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn thô, thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt,... • Cã ®é chän läc cao ®èi víi çc cÊu tö cã mÆt trong khÝ, nghÜa lµ cã kh¶ n¨ng hÊp thô h¬i n−íc cao, ®ång thêi kh¶ n¨ng hoµ tan thÊp çc hydrocacbon trong khÝ. • TÝnh ¨n mßn kÐm. • Kh¶ n¨ng t¹o bät kÐm khi tiÕp xóc víi dßng khÝ. • Cã ®é bÒn nhiÖt vµ bÒn oxy ho¸ cao. • Kh«ng ®éc h¹i cho ng−êi lµm viÖc, kh«ng g©y « nhiÔm m«i tr−êng. • Gi¸ thµnh rÎ. Nh÷ng chÊt hÊp thô tho¶ m n çc yªu cÇu trªn ®−îc sö dông phæ biÕn lµ glyxerin, çc glycol nh− etylen glycol (EG), dietylen glycol (DEG), trietylen glycol (TEG), propylen glycol (PG)... Glyxerin ® ®−îc sö dông tõ n¨m 1929. Etylen glycol ®−îc sö dông trong c«ng nghiÖp ®Çu tiªn vµo n¨m 1936. Mét sè tÝnh chÊt ho¸ lý quan träng cña çc glycol xem ë b¶ng V.1. B¶ng V.1. Mét sè tÝnh chÊt ho¸ lý quan träng cña çc glycol Çc ®¹i l−îng ho¸ lý EG DEG TEG PG 62,07 106,12 150,18 76,09 1,116 1,118 1,125 1,034 197,3 244,8 278,3 188,2 −13 −8 −7,2 −60 − 164 206 − 165 164 206 − §é nhít ë 20 C, cP 20,9 35,7 47,8 56,0 NhiÖt dung riªng, kJ/kg.K 2,35 2,09 2,20 2,47 Khèi l−îng ph©n tö Tû träng t−¬ng ®èi 20 ρ 20 NhiÖt ®é s«i ë 760 mmHg, 0 C NhiÖt ®é nãng ch¶y, 0 C 0 NhiÖt ®é b¾t ®Çu ph©n huû, C 0 NhiÖt ®é t¸i sinh, C 0 Ph−¬ng ph¸p hÊp thô ®Ó sÊy khÝ ®−îc sö dông réng r i h¬n c¶ v× s¬ ®å thiÕt bÞ ®¬n gi¶n, dÔ tÝnh to¸n thiÕt kÕ, dÔ vËn hµnh, qu¸ tr×nh liªn tôc nªn cã thÓ tù ®éng ho¸, gi¸ thµnh thiÕt bÞ thÊp, Ýt tiªu hao t¸c nh©n sÊy khÝ, çc chÊt hÊp thô dÔ chÕ t¹o. Çc r−îu hai chøc nµy hoµ tan hoµn toµn trong n−íc víi bÊt kú tû lÖ nµo, çc dung dÞch nµy kh«ng ¨n mßn, cho phÐp dïng kim lo¹i rÎ tiÒn ®Ó chÕ t¹o thiÕt bÞ. Mét tÝnh chÊt quan träng cña çc glycol lµ kh¶ n¨ng lµm gi¶m nhiÖt ®é ®«ng ®Æc cña dung dÞch n−íc. Trªn h×nh V.3 lµ çc http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 117 So víi DEG vµ TEG, dung dÞch EG cã nhiÖt ®é ®«ng ®Æc thÊp, kh¶ n¨ng ng¨n ngõa sù t¹o hydrat cao nhÊt, ®é nhít thÊp nh−ng ®é hoµ tan cña çc hydrocacbon trong EG cao h¬n, ¸p suÊt h¬i cao h¬n do ®ã kh¶ n¨ng mÊt m¸t trong qu¸ tr×nh lµm viÖc lín, v× vËy EG Ýt ®−îc sö dông. NhiÖt ®é, 0 C ®−êng cong nhiÖt ®é ®«ng ®Æc cña çc dung dÞch glycol cã nång ®é kh¸c nhau. TÝnh chÊt nµy cho phÐp cã thÓ dïng dung dÞch n−íc cña çc glycol lµm chÊt hÊp thô n−íc ë nhiÖt ®é ©m. DEG so víi TEG vµ PG cã −u ®iÓm lµ ®é hoµ tan hydrocacbon thÊp, kh¶ n¨ng t¹o bät kÐm. ë ¸p suÊt cao ng−êi ta hay dïng DEG v× cã ®é chän läc cao. §é hoµ tan cña khÝ tù nhiªn Nång ®é dung dÞch, % khèi l−îng trong TEG cao h¬n 25 ®Õn 30% so víi DEG. TEG cã ¸p suÊt h¬i H×nh V.3. NhiÖt ®é ®«ng ®Æc cña çc thÊp h¬n DEG nªn mÊt m¸t trong dung dÞch glycol cã nång ®é kh¸c nhau qu¸ tr×nh lµm viÖc Ýt h¬n. PG cã hai ®ång ph©n 1,2-propylen glycol vµ 1,3-propylen glycol. §ång ph©n 1,2-propylen dïng lµm chÊt hÊp thô sÊy khÝ tèt h¬n ®ång ph©n 1,3-propylen glycol. Gi¸ thµnh 1,2-propylen glycol rÎ h¬n DEG vµ TEG, nhiÖt ®é ®«ng ®Æc rÊt thÊp (−60 0 C), cho phÐp sö dông t¹i çc vïng gi¸ l¹nh. Trong qu¸ tr×nh sÊy khÝ, mÊt m¸t glycol kho¶ng 0,25 ... 0,75 lÝt trªn 1000 lÝt chÊt láng ng−ng tô, do sù hoµ tan cña glycol trong pha ng−ng tô phô thuéc vµo thµnh phÇn khÝ ®−a vµo sÊy. Trªn h×nh V.4 biÓu diÔn sù phô thuéc nhiÖt ®é ®iÓm s−¬ng cña khÝ vµo nång ®é dung dÞch DEG, TEG vµ nhiÖt ®é tiÕp xóc. Tõ çc gi¶n ®å thÊy r»ng dung dÞch DEG nång ®é 95% khi tiÕp xóc víi khÝ ë nhiÖt ®é 20 0 C cã kh¶ n¨ng gi¶m nhiÖt ®é ®iÓm s−¬ng cña khÝ tíi −5 0 C, cßn dung dÞch 98% ë cïng nhiÖt ®é cã kh¶ n¨ng gi¶m ®iÓm s−¬ng tíi −13 0 C. Nh− vËy, nång ®é dung dÞch glycol cµng cao, møc ®é sÊy khÝ cµng cao, tøc lµ khÝ sau khi sÊy cã ®iÓm s−¬ng cµng thÊp. 118 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 40 0 50 60 40 70 80 20 90 95 98 0 −20 0 10 99 0 99,5 −10 99,7 99,8 99,9 99,95 99,97 −20 −50 99,7 99,85 99,96 −10 98 10 −40 99,5 −60 −29 20 −30 99 −40 95 96 97 90 30 NhiÖt ®é ®iÓm s−¬ng 0 C NhiÖt ®é ®iÓm s−¬ng, 0 C 60 −60 30 0 50 10 20 30 40 50 60 70 80 0 0 NhiÖt ®é tiÕp xóc C NhiÖt ®é tiÕp xóc, C a) b) H×nh V.4. Sù phô thuéc nhiÖt ®é ®iÓm s−¬ng cña hçn hîp khÝ vµo nhiÖt ®é tiÕp xóc víi çc dung dÞch DEG (a) vµ TEG (b) cã nång ®é kh¸c nhau §é h¹ ®iÓm s−¬ng ΔT, 0 C §é h¹ ®iÓm s−¬ng ΔT cho biÕt møc ®é sÊy khÝ cña chÊt hÊp thô. Trªn h×nh V.5 lµ ®å thÞ m« t¶ ®é h¹ ®iÓm s−¬ng phô thuéc vµo nång ®é dung dÞch 40 DEG vµ nhiÖt ®é tiÕp xóc cña dung 99,5 dÞch víi khÝ Èm. Nhê ®å thÞ nµy cã 99 30 thÓ x¸c ®Þnh ®−îc ®é h¹ ®iÓm s−¬ng ΔT khi biÕt nång ®é dung dÞch DEG 20 vµ nhiÖt ®é tiÕp xóc. VÝ dô víi 98 dung dÞch DEG cã nång ®é 98%, nhiÖt ®é tiÕp xóc lµ 270C, cã kh¶ 10 95 n¨ng h¹ ®iÓm s−¬ng cña hçn hîp 10 20 50 30 40 khÝ xuèng ΔT = 16 0C, nghÜa lµ nÕu 0 NhiÖt ®é tiÕp xóc, C hçn hîp khÝ Èm ban ®Çu cã nhiÖt H×nh V.5. Sù phô thuéc ®é h¹ ®iÓm s−¬ng ®é ®iÓm s−¬ng lµ 60C th× sau khi cña khÝ vµo nhiÖt ®é tiÕp xóc víi dung dÞch sÊy sÏ cã ®iÓm s−¬ng lµ −100C. DEG cã nång ®é kh¸c nhau http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 119 1000 600 200 100 60 20 75 85 98 90 10 6 2 1 0.6 0,2 0.1 -20-10 0 99 100 95 20 40 60 80 110 150 210 ¸p suÊt h¬i b·o hoµ cña TEG, mmHg ¸p suÊt h¬i b·o hoµ cña DEG, mmHg §é h¹ ®iÓm s−¬ng, 0 C §é h¹ nhiÖt ®é ®iÓm s−¬ng 50 99,5% kl TEG cßn phô thuéc vµo l−u l−îng t−íi 99 dung dÞch glycol. §å thÞ trªn 98 40 h×nh V.6 m« t¶ ¶nh h−ëng cña l−u l−îng t−íi dung dÞch TEG 96 víi çc nång ®é kh¸c nhau ®Õn 30 ®é h¹ nhiÖt ®é ®iÓm s−¬ng cña 25 45 65 85 MËt ®é t−íi, lÝt/kg n−íc khÝ ®−a vµo sÊy. Tõ ®å thÞ thÊy H×nh V.6. Sù phô thuéc ®é h¹ ®iÓm s−¬ng r»ng, khi gi¶m nång ®é TEG cña khÝ vµo mËt ®é t−íi dung dÞch TEG (tøc lµ l−îng n−íc trong th¸p hÊp thô t¨ng lªn) ¶nh h−ëng cña l−u l−îng n−íc t−íi dung dÞch chÊt hÊp thô ®Õn ΔT gi¶m ®i. Trong thùc tÕ th−êng sö dông mËt ®é t−íi 10 ... 35 lÝt TEG cho 1 kg h¬i Èm t¸ch khái khÝ. Trªn h×nh V.7 lµ ®å thÞ ¸p suÊt h¬i b o hoµ cña dung dÞch n−íc DEG vµ TEG cã nång ®é kh¸c nhau. Nhê çc ®å thÞ nµy cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc nhiÖt ®é s«i cña dung dÞch glycol ë çc ¸p suÊt kh¸c nhau. ë ¸p suÊt 760 mmHg, nhiÖt ®é s«i cña dung dÞch 98% DEG lµ 182 0 C, ë ¸p suÊt 300 mmHg nhiÖt ®é s«i cña dung dÞch ®ã lµ 146 0 C. n hiÖt ®é b¾t ®Çu ph©n huû cña DEG lµ 164 0 C. V× vËy ®Ó t¸i sinh DEG cÇn ph¶i thùc hiÖn ë ¸p suÊt thÊp d−íi ¸p suÊt khÝ quyÓn (th¸p nh¶ hÊp thô cÇn lµm viÖc ë ®iÒu kiÖn ch©n kh«ng). Trong khi ®ã TEG b¾t ®Çu ph©n huû ë 206 0 C, v× vËy cã thÓ t¸i sinh TEG ë nhiÖt ®é cao h¬n nhiÖt ®é t¸i sinh ®èi víi DEG vµ kh«ng cÇn ch©n kh«ng. 1000 600 200 100 60 75 85 95 20 98 10 6 100 2 1 0.6 0,2 0.1 -20-10 0 NhiÖt ®é, 0 C 20 40 60 80 110 150 210 NhiÖt ®é, 0 C H×nh V.7. §å thÞ phô thuéc ¸p suÊt h¬i b·o hoµ cña dung dÞch DEG vµ TEG vµo nhiÖt ®é 120 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn §é nhít cña dung dÞch glycol trong n−íc t¨ng lªn víi sù t¨ng nång ®é vµ ®é nhít cña dung dÞch gi¶m ®i khi t¨ng nhiÖt ®é. Trong thùc tÕ cã tr−êng hîp cÇn sÊy khÝ ë nhiÖt ®é thÊp, khi ®ã dung dÞch DEG hoÆc TEG trong n−íc cã ®é nhít rÊt cao, chóng trë lªn qu¸nh l¹i lµm gi¶m kh¶ n¨ng tiÕp xóc vµ trao ®æi gi÷a dung dÞch glycol vµ khÝ Èm. Cßn khi nhiÖt ®é ë vµo kho¶ng −8 ... −7 0 C th× DEG vµ TEG trë thµnh chÊt r¾n. V× vËy, ®Ó gi¶m ®é nhít cña dung dÞch glycol ng−êi ta thªm çc dung m«i h÷u c¬. Çc dung m«i nµy còng ®ång thêi lµm chÊt sÊy vµ kh«ng cã kh¶ n¨ng t¹o bät, nh− r−îu benzylic, phenyl etylic, çc r−îu th¬m, r−îu th¼ng,... Çc chÊt nµy ®Òu cã ®é nhít nhá h¬n glycol, tan tèt trong glycol. S¬ ®å nguyªn lý c«ng nghÖ sÊy khÝ b»ng chÊt hÊp thô láng xem trªn h×nh V.8. II 6 3 V 2 6 5 III IV 4 7 1 I H×nh V.8. S¬ ®å nguyªn lý c«ng nghÖ sÊy khÝ b»ng glycol 1. Thïng chøa; 2. Th¸p hÊp thô; 3. Th¸p nh¶ hÊp thô; 4. ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt; 5. ThiÕt bÞ ®un s«i ®¸y th¸p; 6. ThiÕt bÞ lµm l¹nh; 7. Th¸p t¸ch; I. KhÝ ®−a vµo sÊy; II. KhÝ sau khi sÊy; III. Dung dÞch glycol; IV. Glycol b·o hoµ n−íc; V. N−íc ®i t−íi. Qu¸ tr×nh sÊy khÝ b»ng çc chÊt hÊp thô láng thùc hiÖn nh− sau: Trong th¸p hÊp thô h×nh trô 2, dßng khÝ ®i tõ d−íi lªn cßn chÊt láng ®−îc t−íi tõ trªn xuèng, h¬i n−íc bÞ dung dÞch glycol hÊp thô. Qu¸ tr×nh http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 121 ®−îc tiÕn hµnh ë nhiÖt ®é kho¶ng 20 0 C, ¸p suÊt 2 ... 6 MPa. KhÝ ® ®−îc sÊy kh« ®i ra ë ®Ønh th¸p, cßn dung dÞch glycol ® hÊp thô n−íc ®−îc lÊy ra ë phÝa d−íi. Glycol ® hÊp thô n−íc qua thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 4 ®−îc ®un nãng s¬ bé ®i vµo gi÷a th¸p nh¶ hÊp thô 3. H¬i n−íc gi¶i phãng ®i lªn phÝa trªn th¸p vµ ®−îc ng−ng tô ë thiÕt bÞ lµm l¹nh 6, mét phÇn h¬i n−íc ng−ng tô ®−îc quay trë l¹i t−íi ë ®Üa trªn cïng cña th¸p nh¶ hÊp thô. PhÇn d−íi cña th¸p nh¶ hÊp thô ®−îc ®èt nãng. Dung dÞch glycol sau khi t¸i sinh cã chøa 1 ®Õn 5% n−íc, ®−îc lµm nguéi nhê thiÕt bÞ lµm l¹nh 6 vµ quay trë l¹i th¸p hÊp thô 2. Qu¸ tr×nh nh¶ hÊp thô ®−îc thùc hiÖn ë nhiÖt ®é cao, nh−ng kh«ng ®−îc cao h¬n 170 0 C ®èi víi dietylen glycol vµ 191 0 C ®èi víi trietylen glycol, bëi v× cao h¬n nhiÖt ®é ®ã çc glycol bÞ ph©n huû. Khi cÇn sÊy mét l−îng khÝ t−¬ng ®èi lín th× ph−¬ng ph¸p hÊp thô dïng dietylen glycol (DEG) vµ trietylen glycol (TEG) lµ kinh tÕ nhÊt, c¶ vÒ vèn ®Çu t− vµ tiªu tèn n¨ng l−îng. V.2.2. Qu¸ tr×nh sÊy khÝ b»ng ph−¬ng ph¸p hÊp phô Khi cÇn ph¶i sÊy khÝ víi ®é h¹ ®iÓm s−¬ng tíi 100 ... 120 0 C vµ yªu cÇu khÝ sau khi sÊy cã ®iÓm s−¬ng rÊt thÊp −60 0 C ... −90 0 C, ng−êi ta sö dông ph−¬ng ph¸p hÊp phô. Trong c«ng nghiÖp chÕ biÕn khÝ ng−êi ta th−êng dïng silicagel, oxit nh«m ho¹t tÝnh, boxit ho¹t tÝnh, zeolit 4A vµ 5A. Çc ®¹i l−îng ®Æc tr−ng cña çc chÊt hÊp phô dïng ®Ó sÊy khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh xem ë b¶ng V.2 B¶ng V.2. Çc ®¹i l−îng ®Æc tr−ng cña çc chÊt hÊp phô §¹i l−îng ®Æc tr−ng Silicagel Khèi l−îng riªng, g/cm 3 - Khèi l−îng riªng thùc 2,1 ... 2,2 - Khèi l−îng riªng ®æ 0,61 ... 0,72 - Khèi l−îng riªng biÓu kiÕn 1,2 NhiÖt dung, kcal/kg.®é 0,22 Hµm l−îng n−íc, % träng l−îng 4,5 ... 7 0 NhiÖt ®é t¸i sinh, C 121 ... 232 Kh¶ n¨ng hÊp phô h¬i n−íc, kg n−íc/100 kg chÊt hÊp phô 7 ... 9 122 Oxit nh«m ho¹t tÝnh Boxit ho¹t tÝnh Zeolit 4A vμ 5A 3,25 0,8 ... 0,86 1,6 0,24 7,0 177 ... 315 3,4 0,8 ... 0,83 1,6 ... 2,0 0,24 4 ... 6 > 177 0,69 ... 0,72 1,1 0,2 Thay ®æi 150 ... 350 4 ... 7 4 ... 6 9 ... 12 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Çc chÊt hÊp phô ®Òu cã bÒ mÆt riªng lín 200 ... 800 m 2 /g. §iÓm s−¬ng cña khÝ s¶n phÈm sau c«ng ®o¹n sÊy phô thuéc vµo chÊt hÊp phô ® chän vµ c«ng nghÖ ® thiÕt kÕ. Khi tÝnh to¸n thiÕt kÕ s¬ ®å c«ng nghÖ sö dông gi¸ trÞ ®iÓm s−¬ng cã thÓ ®¹t ®−îc víi çc chÊt hÊp phô th−êng dïng nh− sau: ChÊt hÊp phô §iÓm s−¬ng cña khÝ sau khi sÊy −60 0 C (−76 0 F) −73 0 C (−100 0 F) −90 0 C (−130 0 F) Silicagel Oxit nh«m ho¹t tÝnh Zeolit (r©y ph©n tö) S¬ ®å c«ng nghÖ sÊy khÝ b»ng ph−¬ng ph¸p hÊp phô ®¬n gi¶n nhÊt bao gåm hai th¸p ®−îc m« t¶ trªn h×nh V.9. 8 4 5 6 IV I 2 1 3 7 - van më - van ®ãng III II H×nh V.9. S¬ ®å nguyªn lý c«ng nghÖ sÊy khÝ b»ng ph−¬ng ph¸p hÊp phô 1. Thïng chøa; 2,3. Th¸p hÊp phô; 4. B¬m; 5. ThiÕt bÞ lµm nguéi; 6. Th¸p t¸ch n−íc ng−ng tô; 7. ThiÕt bÞ gia nhiÖt; 8. §iÒu khiÓn l−u l−îng dßng; I. KhÝ ®−a vµo sÊy; II. KhÝ sau khi sÊy; III. KhÝ ®−a qua gia nhiÖt ®Ó t¸i sinh; IV. KhÝ Èm sau t¸i sinh chÊt hÊp phô Trong s¬ ®å ®−a ra trªn h×nh V.9, ng−êi ta sö dông hai th¸p hÊp phô cã cÊu t¹o hoµn toµn nh− nhau. Mét th¸p hÊp phô cßn th¸p kia lµ th¸p nh¶ hÊp phô (®Ó t¸i sinh chÊt hÊp phô). Qu¸ tr×nh hÊp phô thùc hiÖn ë nhiÖt ®é 25 ... 40 0 C, ¸p suÊt 2 ... 4 MPa. Qu¸ tr×nh nh¶ hÊp phô ®Ó t¸i sinh chÊt hÊp phô http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 123 thùc hiÖn ë ¸p suÊt khÝ quyÓn vµ nhiÖt ®é cao tuú thuéc vµo tõng chÊt hÊp phô. Khi nµy dßng khÝ nãng ®−îc dÉn qua th¸p nh¶ hÊp phô. Dßng khÝ nãng cã chøa h¬i n−íc dÉn theo ®−êng IV sang bé phËn t¸ch n−íc ng−ng tô 6 sau khi ®−a qua thiÕt bÞ lµm l¹nh 5. Th¸p sau khi t¸i sinh ®−îc thæi khÝ kh« ®Ó lµm nguéi, khi ®ã th¸p ® s½n sµng lµm nhiÖm vô hÊp phô. Qu¸ tr×nh hÊp phô cã thÓ thùc hiÖn trong thiÕt bÞ tÇng cè ®Þnh hoÆc thiÕt bÞ tÇng s«i, nh−ng thiÕt bÞ tÇng s«i Ýt ®−îc sö dông v× phøc t¹p. Trong thùc tÕ c«ng nghiÖp ng−êi ta sö dông hai hoÆc ba th¸p: th¸p thø nhÊt lµm nhiÖm vô hÊp phô, th¸p thø hai lµm nhiÖm vô nh¶ hÊp phô, th¸p thø ba lµm l¹nh chÊt hÊp phô sau khi t¸i sinh. Trong nhiÒu tr−êng hîp cã thÓ cã bèn th¸p, trong ®ã hai th¸p thùc hiÖn hÊp phô, mét th¸p t¸i sinh cßn mét th¸p lµm nguéi. Çc th¸p nµy lµm viÖc lu©n phiªn cho phÐp thùc hiÖn qu¸ tr×nh sÊy khÝ liªn tôc. Trong qu¸ tr×nh lµm viÖc, kh¶ n¨ng hÊp phô cña chÊt hÊp phô bÞ gi¶m dÇn do t¹o cèc trªn bÒ mÆt, ®Æc biÖt líp trªn cïng bÞ gi¶m ho¹t tÝnh nhanh nhÊt. V× vËy sau mét thêi gian cÇn ph¶i thay chÊt hÊp phô míi (kho¶ng tõ 2 ®Õn 5 n¨m, tuú thuéc vµo b¶n chÊt vµ ®iÒu kiÖn lµm viÖc ®èi víi tõng chÊt hÊp phô). V.2.3. Sö dông chÊt øc chÕ qu¸ tr×nh t¹o hydrat B¶n chÊt cña ph−¬ng ph¸p lµ ®−a vµo dßng khÝ Èm chÊt øc chÕ hoµ tan trong n−íc, do ®ã lµm gi¶m ¸p suÊt riªng phÇn cña h¬i n−íc vµ lµm gi¶m nhiÖt ®é t¹o hydrat. Çc t¸c nh©n øc chÕ sù t¹o thµnh hydrat cã hiÖu qu¶ nhÊt th−êng ®−îc sö dông lµ DEG (dietylen glycol) vµ metanol. §é gi¶m nhiÖt ®é t¹o hydrat do chÊt øc chÕ ®−îc x¸c ®Þnh b»ng ph−¬ng tr×nh Hamerschmidt: d = 0,556 ⋅ XI K ⋅ M 100 − X I (V.4) trong ®ã: d lµ ®é gi¶m nhiÖt ®é t¹o hydrat t¹i ¸p suÊt ® cho, 0 C; X I lµ phÇn tr¨m khèi l−îng chÊt øc chÕ, %; M lµ khèi l−îng ph©n tö chÊt øc chÕ; K lµ h»ng sè (®èi víi metanol K = 2335, ®èi víi glycol K = 4200). Çc chÊt øc chÕ nµy sÏ ®−îc thu håi vµ tuÇn hoµn l¹i. Metanol cã ¸p suÊt h¬i b o hoµ cao, do ®ã khã t¸ch khái dßng khÝ, khã t¸i sinh, dÉn ®Õn tiªu hao lín trong qu¸ tr×nh lµm viÖc. Metanol cã thÓ sö dông hiÖu qu¶ ë bÊt kú nhiÖt ®é nµo. DEG chØ sö dông ®−îc ë nhiÖt ®é cao h¬n −10 0 C. ë nhiÖt ®é 124 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn d−íi −100C DEG cã ®é nhít cao vµ khã t¸ch khái pha láng nÕu cã dÇu trong ®ã. Metanol ®−îc sö dông chñ yÕu trong çc hÖ dßng ch¶y, t¹i ®ã metanol kh«ng cÇn t¸i sinh, nh− t¹i çc giÕng khoan, çc ®−êng èng dÉn vµ ph©n phèi khÝ ®Ó ph©n huû çc hydrat tr¸nh g©y t¾c ®−êng èng, metanol cã kh¶ n¨ng gi¶m ®¸ng kÓ nhiÖt ®é t¹o hydrat. Ngoµi ra, metanol cßn ®−îc sö dông trong qu¸ tr×nh ch−ng cÊt nhiÖt ®é thÊp. §Ó sö dông cã hiÖu qu¶ cÇn ph¶i tÝnh to¸n tû lÖ chÊt øc chÕ ®−a vµo thÝch hîp. Tæng l−îng chÊt øc chÕ ®−a vµo cÇn ph¶i bao gåm l−îng chÊt øc chÕ trong pha n−íc láng céng víi l−îng chÊt øc chÕ chuyÓn vµo pha h¬i. ChÊt øc chÕ trong pha h¬i Ýt cã ¶nh h−ëng ®Õn ®iÒu kiÖn t¹o hydrat. Nång ®é chÊt øc chÕ cÇn thiÕt trong pha n−íc láng ®Ó lµm gi¶m nhiÖt ®é t¹o hydrat ®−îc tÝnh theo c«ng thøc Hamerschmidt: d⋅M (V.5) ⋅ 100 K +d⋅M X I lµ phÇn tr¨m khèi l−îng chÊt øc chÕ trong pha n−íc láng; d lµ ®é h¹ nhiÖt ®é t¹o hydrat; M lµ khèi l−îng ph©n tö chÊt øc chÕ; K lµ h»ng sè nhËn gi¸ trÞ 1297 (hÖ SI), 2335 (hÖ Anh). XI = trong ®ã: BiÓu thøc (V.5) ë trªn lµ d¹ng ®¬n gi¶n biÓu diÔn mèi quan hÖ nhiÖt ®éng häc gi÷a ®é gi¶m nhiÖt ®é t¹o hydrat d vµ nång ®é chÊt øc chÕ X I . Tuy nhiªn, biÓu thøc trªn cho kÕt qu¶ phï hîp víi çc sè liÖu thùc nghiÖm nhËn ®−îc khi nång ®é dung dÞch metanol tíi 25% khèi l−îng vµ etylenglycol tíi 50 ... 60% khèi l−îng. Trªn thùc tÕ kh«ng cã sè liÖu tÝnh to¸n phï hîp cho tÊt c¶ çc hÖ bëi v× khi tÝnh to¸n ch−a kÓ ®Õn çc th«ng sè kh¸c t¸c ®éng ®Õn nh− çc ®¹i l−îng ®éng häc, h×nh d¹ng thiÕt bÞ, vÞ trÝ vµ çch thøc ®−a chÊt øc chÕ vµo. NÕu nång ®é metanol tíi 50% th× dïng ph−¬ng tr×nh sau chÝnh x¸c h¬n: d = A ⋅ ln(1 − x m ) (V.6) trong ®ã: x m lµ phÇn mol cña metanol trong pha n−íc láng; A lµ h»ng sè b»ng −72 (hÖ SI), b»ng −129,6 (hÖ Anh); d lµ ®é h¹ nhiÖt ®é t¹o hydrat, chÝnh lµ chªnh lÖch nhiÖt ®é t¹o hydrat cña khÝ ban ®Çu vµ nhiÖt ®é cÇn thiÕt ®Ó chÕ biÕn khÝ. Tæng l−îng chÊt øc chÕ sö dông: mI = m w ⋅ XI X0 − XI http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn (II.7) 125 trong ®ã: m I lµ khèi l−îng chÊt øc chÕ, kg; m w lµ khèi l−îng n−íc trong khÝ ®−îc chÊt øc chÕ gi÷ l¹i; X I lµ nång ®é chÊt øc chÕ x¸c ®Þnh ë trªn, % khèi l−îng; X 0 lµ nång ®é chÊt øc chÕ tinh khiÕt, %; víi metanol X 0 = 100%, víi glycol X 0 = 60 ... 80%. Khi tÝnh to¸n cÇn sö dông çc sè liÖu cho trong b¶ng sau: CH 3 OH EG DEG Khèi l−îng ph©n tö 32 62 106 Khèi l−îng riªng g/cm 3 0,8 1,11 1,12 kg/m 3 800 1110 1120 49,7 69,4 69,6 lb/ft 3 Mét l−îng chÊt øc chÕ bÞ mÊt m¸t do sù hoµ tan cña nã vµo pha h¬i hoÆc pha láng cña çc hydrocacbon. Víi çc glycol mÊt m¸t t−¬ng ®èi nhá, trong pha h¬i kho¶ng 3,5 l/10 6 m 3 , trong pha láng kh«ng ®¸ng kÓ. Víi metanol mÊt m¸t nhiÒu h¬n, ®Æc biÖt lµ mÊt m¸t trong pha h¬i. Trªn h×nh V.10 biÓu diÔn mÊt m¸t cña metanol trong pha khÝ phô thuéc vµo ¸p suÊt, nhiÖt ®é, khi nång ®é chÊt øc chÕ nhá h¬n 40%. Trong pha láng lµ çc hydrocacbon parafinic, mÊt m¸t metanol vµo kho¶ng 0,4 kg/m 3 , nÕu pha láng lµ çc hîp chÊt th¬m th× mÊt m¸t nhiÒu gÊp tõ 4 ®Õn 5 lÇn. Tr×nh tù tÝnh to¸n l−îng chÊt øc chÕ cÇn thiÕt nh− sau: 1) X¸c ®Þnh nhiÖt ®é t¹o hydrat cña hçn hîp khÝ T 1 . 2) ThiÕt lËp nhiÖt ®é lµm viÖc thÊp nhÊt cña hÖ T 2 . 3) ¦íc tÝnh l−îng n−íc cã trong khÝ ë nhiÖt ®é T 2 b»ng çch sö dông gi¶n ®å trªn h×nh IV.1 (b»ng çc ph−¬ng ph¸p ® tr×nh bµy ë ch−¬ng IV). 4) TÝnh nång ®é chÊt øc chÕ X theo biÓu thøc (V.5) hoÆc (V.6), gi¸ trÞ d trong biÓu thøc chÝnh lµ sù chªnh lÖch nhiÖt ®é d = T 1 − T 2 . Sö dông biÓu thøc (V.7) tÝnh khèi l−îng chÊt øc chÕ. Chó ý nÕu x m tÝnh to¸n b»ng biÓu thøc (V.6) cÇn ph¶i ®æi sang nång ®é % khèi l−îng tr−íc khi ¸p dông biÓu thøc (V.7). Tèc ®é thÓ tÝch ®−a dung dÞch chÊt øc chÕ vµo sÏ b»ng khèi l−îng chÊt øc chÕ trªn mét ®¬n vÞ thêi gian chia cho tû träng cña nã sau khi tÝnh ®−îc nång ®é. 126 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 5) TÝnh l−îng chÊt øc chÕ mÊt m¸t trong pha h¬i. NÕu chÊt øc chÕ lµ dung dÞch metanol, sö dông h×nh (V.10) ®Ó x¸c ®Þnh l−îng chÊt mÊt m¸t ë ¸p suÊt P vµ nhiÖt ®é T 2 cña hÖ. MÉu sè cña ph©n sè biÓu diÔn trªn trôc hoµnh lµ gi¸ trÞ X x¸c ®Þnh tõ biÓu thøc (V.5) ë trªn. MÊt m¸t dung dÞch chÊt øc chÕ cã thÓ vµo kho¶ng 0,2% mol. NÕu sö dông dung dÞch glycol lµm chÊt øc chÕ th× mÊt m¸t kh«ng ®¸ng kÓ, cã thÓ bá qua. 6) TÝnh tæng l−îng chÊt øc chÕ cÇn dïng bao gåm l−îng chÊt øc chÕ tÝnh ë b−íc 4) céng víi l−îng chÊt øc chÕ mÊt m¸t trong pha h¬i vµ pha láng tÝnh ë b−íc 5). 50 40 30 20 ¸p suÊt, MPa 18 0 C 10 16 13 5 4 3 10 7 2 1 10 4 −4 15 −1 20 25 30 35 kg CH 3 OH trong 10 6 m 3 khÝ (100 kPa, 15 0 C) 2 40 % khèi l−îng CH 3 OH trong n−íc H×nh V.10. C©n b»ng láng h¬i cña hÖ metanol - n−íc V.3. Lμm s¹ch khÝ khái H2 S vμ CO 2 (lμm ngät khÝ) Trong thµnh phÇn cña khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh, ngoµi çc cÊu tö chÝnh lµ çc hydrocacbon no cßn cã mét l−îng ®¸ng kÓ çc t¹p chÊt cã tÝnh axit nh− CO 2 , H 2 S vµ çc hîp chÊt chøa l−u huúnh kh¸c nh− COS, CS 2 , mercaptan RSH, thiophen... g©y ®éc h¹i cho ng−êi sö dông, « nhiÔm m«i tr−êng, ngé ®éc xóc t¸c, vµ g©y nhiÒu khã kh¨n cho qu¸ tr×nh vËn chuyÓn vµ sö dông. Mçi quèc gia cã quy ®Þnh hµm l−îng cho phÐp çc hîp chÊt chøa l−u huúnh cã kh¸c nhau. CHLB Nga quy ®Þnh nång ®é H 2 S kh«ng v−ît qu¸ 22 mg/m 3 , nång ®é RSH cã trong khÝ nhá h¬n 36 mg/m 3 , hµm l−îng CO 2 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 127 kh«ng quy ®Þnh cô thÓ. Cßn ë Mü nång ®é H 2 S ®−îc quy ®Þnh kh¾t khe h¬n, kh«ng v−ît qu¸ 5,7 mg/m 3 , nång ®é CO 2 trong kho¶ng 1 ... 2% thÓ tÝch, çc hîp chÊt RSH trong kho¶ng 1,5 ... 5 mg/m 3 , hµm l−îng l−u huúnh tæng 22 ... 228 mg/m 3 . Khi nång ®é çc hîp chÊt chøa l−u huúnh trong khÝ kh¸ cao, ng−êi ta cã thÓ thu håi ®Ó s¶n xuÊt l−u huúnh vµ H 2 SO 4 . VÝ dô nh− má khÝ tù nhiªn ë Astrakhan (CHLB Nga) cã hµm l−îng H 2 S tèi ®a lµ 23% thÓ tÝch, má khÝ tù nhiªn ë Panter River (Cana®a) hµm l−îng l−u huúnh tíi 75% thÓ tÝch. T¹i çc má nµy ng−êi ta ®Æt thªm c«ng ®o¹n s¶n xuÊt S vµ H 2 SO 4 . Trong c«ng nghiÖp chñ yÕu dïng ph−¬ng ph¸p hÊp thô ®Ó lµm s¹ch khÝ khái H 2 S vµ CO 2 . Tuú thuéc vµo hµm l−îng çc t¹p chÊt axit mµ ng−êi ta sö dông çc dung m«i hÊp thô kh¸c nhau. Çc chÊt hÊp thô cÇn tho¶ m n çc yªu cÇu sau: ♦ Cã tÝnh hÊp thô chän läc. §©y lµ tÝnh chÊt quan träng nhÊt. ♦ §é nhít cña chÊt hÊp thô nhá. ♦ NhiÖt dung riªng bÐ, tiªu tèn n¨ng l−îng cho qu¸ tr×nh t¸i sinh nhá. ♦ NhiÖt ®é s«i kh¸c xa víi nhiÖt ®é s«i cña cÊu tö bÞ hÊp thô, nhê vËy dÔ dµng t¸i sinh dung m«i b»ng ch−ng cÊt. ♦ NhiÖt ®é ®ãng r¾n thÊp, kh«ng bÞ ®ãng r¾n t¹i nhiÖt ®é lµm viÖc. ♦ Kh«ng t¹o thµnh kÕt tña khi hÊp thô. ♦ Ý t bay h¬i, mÊt m¸t Ýt trong qu¸ tr×nh tuÇn hoµn chÊt hÊp phô. ♦ Kh«ng ®éc, kh«ng g©y « nhiÔm m«i tr−êng, kh«ng ¨n mßn thiÕt bÞ. Cã hai qu¸ tr×nh hÊp thô c¬ b¶n lµ hÊp thô vËt lý vµ hÊp thô ho¸ häc. Trong qu¸ tr×nh hÊp thô vËt lý, ng−êi ta sö dông çc dung m«i nh− propylen cacbonat, ete dimetyl polyetylen glycol, N-metylpyrolidon... Trong qu¸ tr×nh hÊp thô ho¸ häc ng−êi ta sö dông dung dÞch n−íc cña çc alkanol amin, trong ®ã ®¸ng chó ý nhÊt lµ monoetanolamin (MEA). Ph−¬ng ph¸p nµy ® ®−îc sö dông tõ n¨m 1930, hiÖn nay ®−îc øng dông rÊt réng r i. §Ó lµm s¹ch khÝ tù nhiªn ng−êi ta dïng dung dÞch MEA nång ®é 15 ... 20% trong n−íc. Kh«ng sö dông dung dÞch víi nång ®é cao h¬n v× khi hÊp thô çc khÝ axit víi nång ®é b o hoµ cao h¬n sÏ lµm t¨ng tÝnh ¨n mßn thiÕt bÞ. GÇn ®©y ng−êi ta thªm mét sè chÊt øc chÕ qu¸ tr×nh ¨n mßn cho phÐp t¨ng nång ®é dung dÞch MEA lªn 30%, v× vËy t¨ng hiÖu qu¶ cña qu¸ tr×nh. ¦u ®iÓm cña ph−¬ng ph¸p nµy lµ MEA cã kh¶ n¨ng ph¶n øng cao, æn ®Þnh vµ dÔ t¸i sinh. NhiÖt ®é s«i cña MEA lµ 1700C, nã hoµ tan v« h¹n trong n−íc. 128 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn C¬ së cña ph−¬ng ph¸p lµ çc ph¶n øng sau: 2HOCH 2 CH 2 NH 2 + CO 2 + H 2 O (HOCH 2 CH 2 NH 3 ) 2 CO 3 2HOCH 2 CH 2 NH 2 + H 2 S (HOCH 2 CH 2 NH 3 ) 2 S Qu¸ tr×nh hÊp thô H 2 S vµ CO 2 b»ng MEA x¶y ra ë ¸p suÊt cao vµ nhiÖt ®é 25 ... 40 0 C, cßn t¸i sinh chÊt hÊp thô MEA thùc hiÖn ë ¸p suÊt gÇn ¸p suÊt khÝ quyÓn vµ nhiÖt ®é trªn 150 0 C. S¬ ®å nguyªn lý c«ng nghÖ hÊp thô lµm s¹ch khÝ khái H 2 S vµ CO 2 b»ng MEA xem ë h×nh V.11. II VI 8 2 6 4 1 10 I V IV 11 III 3 9 7 5 VII H×nh V.11. S¬ ®å nguyªn lý c«ng nghÖ hÊp thô b»ng MEA 1. Th¸p hÊp thô; 2,3,4. ThiÕt bÞ ph©n ly; 5,6. ThiÕt bÞ lµm nguéi b»ng kh«ng khÝ; 7,8. ThiÕt bÞ lµm l¹nh b»ng n−íc; 9. ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt; 10. Th¸p nh¶ hÊp thô; 11. Bé phËn ®un nãng; I. KhÝ nguyªn liÖu; II. KhÝ s¹ch (khÝ ngät); III. Dung m«i b·o hoµ; IV. KhÝ ph©n ly; V. Dung m«i ®· nh¶ hÊp thô mét phÇn; VI. KhÝ axit; VII. Dung m«i ®· t¸i sinh tuÇn hoµn trë l¹i th¸p hÊp thô. §Ó lµm s¹ch khÝ ®ång thêi khái H 2 S, CO 2 vµ n−íc, ng−êi ta øng dông hçn hîp etanol amin víi etylen glycol. ViÖc lµm s¹ch kÕt hîp nh− vËy ®ång thêi lµm khan ho¸ nguyªn liÖu vµ gi¶m l−îng h¬i n−íc cÇn thiÕt ®Ó t¸i sinh dung m«i. Trªn h×nh V.12, ®−a ra s¬ ®å c«ng nghÖ lµm s¹ch khÝ tù nhiªn b»ng hçn hîp etanol amin víi etylen glycol. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 129 Qu¸ tr×nh lµm s¹ch ®−îc thùc hiÖn trong th¸p hÊp thô vµ çc thiÕt bÞ phô trî. Th¸p hÊp thô vµ nh¶ hÊp thô còng cã cÊu t¹o nh− th¸p sÊy khÝ b»ng glycol. Khi ®−îc dÉn vµo tõ phÇn d−íi cña th¸p, dßng khÝ chuyÓn ®éng tõ d−íi lªn, cßn dung dÞch lµm s¹ch gåm cã etylen glycol vµ etanol amin ®−îc t−íi ng−îc chiÒu tõ trªn xuèng. KhÝ ® ®−îc lµm s¹ch ®−îc dÉn ra tõ ®Ønh th¸p, cßn dung dÞch ® hÊp thô H 2 S vµ CO 2 ®−îc th¸o ra ë ®¸y th¸p. Dung dÞch nµy ®−îc dÉn qua bé phËn trao ®æi nhiÖt ®èt nãng b»ng h¬i n−íc vµ ®−a vµo gi÷a th¸p nh¶ hÊp thô, H 2 S vµ CO 2 gi¶i phãng ra ë phÝa ®Ønh th¸p, cßn dung dÞch hÊp thô ® t¸i sinh ®−îc lÊy ra ë phÝa d−íi. Mét phÇn dung dÞch ®ã ®−îc ®un nãng b»ng h¬i n−íc vµ quay l¹i th¸p nh¶ hÊp thô ®Ó truyÒn nhiÖt, phÇn cßn l¹i ®−îc lµm nguéi vµ t−íi tõ ®Ønh th¸p hÊp thô. II IV 1 III V 2 3 VI 4 I V V H×nh V.12. S¬ ®å lµm s¹ch khÝ b»ng dung dÞch etanolamin vµ etylen glycol 1. Th¸p hÊp thô; 2. Th¸p nh¶ hÊp thô; 3,4. ThiÕt bÞ ®un s«i ®¸y th¸p; I. KhÝ vµo; II. KhÝ s¹ch; III. Dung dÞch MEA; IV. Dung dÞch DEG; V. N−íc; VI. KhÝ axit (H 2 S, CO 2 ) Khi nång ®é çc t¹p chÊt H 2 S vµ CO 2 cao h¬n 2 ... 2,5% mol th× tr−íc khi dïng etanolamin hÊp thô, ng−êi ta dïng çc chÊt hÊp thô rÎ tiÒn nh− n−íc hoÆc dung dÞch n−íc cña Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 lµm s¹ch khÝ s¬ bé, gi¶m nång ®é t¹p chÊt tíi 2 ... 2,5% mol, sau ®ã míi dïng etanolamin lµm s¹ch tiÕp tíi ®é s¹ch yªu cÇu nhá h¬n 0,5%. 130 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Ch−¬ng VI chÕ biÕn khÝ b»ng ph−¬ng ph¸p ng−ng tô Ph −¬ng ph¸p ng−ng tô khÝ ë nhiÖt ®é thÊp −25 0 C ... − 35 0 C, ¸p suÊt cao 3,0 ... 4,0 MPa ®−îc coi lµ ph−¬ng ph¸p cã hiÖu qu¶ vµ kinh tÕ h¬n c¶ ®Ó chÕ biÕn khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh. KhÝ ®ång hµnh tõ xÝ nghiÖp khai th¸c dÇu ®−îc nÐn b»ng m¸y nÐn khÝ, sau ®ã ®−îc lµm l¹nh vµ ®−a vµo thiÕt bÞ sÊy khÝ. KhÝ sau khi ®−îc sÊy ®−a qua trao ®æi nhiÖt lµm nguéi vµ ®−a vµo thiÕt bÞ ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp. T¹i ®ã khÝ nÐn ®−îc lµm l¹nh tíi nhiÖt ®é ©m cÇn thiÕt, sau ®ã ®−a sang bé phËn t¸ch khÝ, ë ®ã mét phÇn hydrocacbon ® ng−ng tô ®−îc t¸ch ra. PhÇn ng−ng tô (gäi lµ condensat) cña bËc nÐn vµ lµm l¹nh khÝ ®ång hµnh, ®−îc b¬m tõ thïng chøa qua bé phËn trao ®æi nhiÖt sang cét t¸ch etan, t¹i ®ã ph©n ®o¹n chøa metan vµ etan ®−îc t¸ch ra. Sau ®ã benzin lµ phÇn ng−ng tô ® ®−îc t¸ch metan vµ etan qua thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt vµo trong b×nh chøa, tõ ®ã nã ®−îc ®−a ®i chÕ biÕn tiÕp. Ph−¬ng ph¸p ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp ®Ó t¸ch benzin tõ khÝ ®ång hµnh lµ ph−¬ng ph¸p rÊt tèn kÐm, ®Ó thùc hiÖn cÇn cã thiÕt bÞ lµm l¹nh phøc t¹p. Tuy nhiªn, do s¬ ®å c«ng nghÖ t−¬ng ®èi ®¬n gi¶n, hiÖu qu¶ t¸ch benzin khái khÝ ®ång hµnh kh¸ cao vµ triÖt ®Ó nªn nh÷ng n¨m gÇn ®©y ph−¬ng ph¸p nµy ®−îc øng dông réng r i trong c«ng nghiÖp chÕ biÕn khÝ. S¬ ®å c«ng nghÖ chÕ biÕn khÝ b»ng ph−¬ng ph¸p ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp cã thÓ ®−îc ph©n lo¹i theo sè bËc t¸ch, kiÓu nguån lµm l¹nh, çch ®−a s¶n phÈm ra. Theo sè bËc t¸ch ta cã s¬ ®å t¸ch 1 bËc, 2 bËc, 3 bËc, t¹i mçi bËc ph¶i th¸o pha láng ra. Theo kiÓu nguån lµm l¹nh cã thÓ cã: chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi; chu tr×nh lµm l¹nh trong; chu tr×nh lµm l¹nh tæ hîp, trong ®ã nguån l¹nh bao gåm c¶ chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi vµ chu tr×nh lµm l¹nh trong. Chu t r×nh lµm l¹nh ngoµi kh«ng phô thuéc vµo s¬ ®å c«ng nghÖ cã t¸c nh©n lµm l¹nh ®Æc biÖt. Tuú thuéc vµo d¹ng t¸c nh©n lµm l¹nh mµ chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi cã thÓ ®−îc chia thµnh hai nhãm: nhãm mét t¸c nh©n lµm l¹nh vµ nhãm nhiÒu t¸c nh©n lµm l¹nh (trong ®ã th−êng lµ hçn hîp çc hydrocacbon nhÑ). Chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi cã øng dông hai hay nhiÒu t¸c nh©n lµm l¹nh ®−îc gäi lµ chu tr×nh lµm l¹nh bËc thang. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 131 Trong chu tr×nh lµm l¹nh trong, t¸c nh©n lµm l¹nh chÝnh lµ dßng khÝ ®−a vµo chÕ biÕn. Chu tr×nh lµm l¹nh trong cã thÓ chia lµm hai nhãm: Nhãm thø nhÊt cã kÕt hîp víi sù tiÕt l−u dßng chÊt láng, mét phÇn l¹nh nhËn ®−îc do sù tiÕt l−u condensat cña bËc 1 vµ 2, hoÆc tiÕt l−u phÇn láng cßn l¹i cña çc th¸p t¸ch metan vµ t¸ch etan. Nhãm thø hai cã kÕt hîp víi sù gi n në khÝ. Mét phÇn l¹nh vµ nhiÖt ®é thÊp nhËn ®−îc do qu¸ tr×nh gi n në khÝ b»ng tuabin. VÒ mÆt nguyªn t¾c cã thÓ sö dông s¬ ®å trong ®ã toµn bé l−îng l¹nh cÇn thiÕt cho qu¸ tr×nh nhËn ®−îc do tiÕt l−u dßng láng condensat. Tuy nhiªn s¬ ®å cã bé phËn tiÕt l−u trong tr−êng hîp nµy lµ kh«ng kinh tÕ vµ phøc t¹p. Sö dông tuabin gi n në khÝ lµm nguån nhiÖt duy nhÊt chØ trong tr−êng hîp khÝ gÇy vµ khÝ ®−îc truyÒn dÉn víi ¸p suÊt t−¬ng øng. KhÝ ®ång hµnh th−êng ®−îc chÕ biÕn theo s¬ ®å, trong ®ã chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi b»ng propan kÕt hîp víi chu tr×nh lµm l¹nh trong. Trong nh÷ng s¬ ®å nh− vËy ë bËc 1 ng−êi ta ¸p dông chu tr×nh lµm l¹nh trong, lµm l¹nh khÝ tíi nhiÖt ®é kho¶ng − 30 0 C, cßn ë bËc 2 ®Ó nhËn ®−îc nhiÖt ®é thÊp h¬n ng−êi ta sö dông chu tr×nh lµm l¹nh trong. Theo yªu cÇu nhËn s¶n phÈm ra, s¬ ®å ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp ®−îc chia thµnh s¬ ®å ®Ó nhËn C ≥ 2 vµ s¬ ®å ®Ó nhËn C ≥ 3 . Trong ch−¬ng nµy sÏ lÇn l−ît xem xÐt chi tiÕt tõng lo¹i s¬ ®å c«ng nghÖ ® nªu trªn. VI.1. S¬ ®å ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp (NNT) cã chu tr×nh lμm l¹nh ngoμi VI.1.1. S¬ ®å NNT mét bËc ®Ó nhËn C≥3 cã chu tr×nh lµm l¹nh b»ng propan Trªn h×nh VI.1 lµ s¬ ®å c«ng nghÖ chÕ biÕn khÝ lµm viÖc theo ph−¬ng ph¸p ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp. S¬ ®å cã mét nguån l¹nh ngoµi lµ chu tr×nh lµm l¹nh b»ng propan vµ mét c«ng ®o¹n ph©n t¸ch hçn hîp hai pha. Theo s¬ ®å nµy, khÝ nguyªn liÖu tõ èng dÉn ®−îc ®−a vµo bé phËn t¸ch khÝ s¬ bé 1 , t¹i ®©y nã ®−îc lµm s¹ch khái çc t¹p chÊt c¬ häc vµ çc chÊt láng d¹ng h¹t (dÇu, n−íc, ...). Sau khi ®−îc lµm s¹ch s¬ bé trong th¸p t¸ch 1 , khÝ ®−îc ®−a vµo m¸y nÐn 2 , t¹i ®©y trong çc s¬ ®å hiÖn ®¹i cã thÓ ®¹t tíi ¸p suÊt 3,0 ®Õn 4,0 MPa 132 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn vµ cao h¬n. KhÝ nÐn ®i qua thiÕt bÞ lµm m¸t b»ng kh«ng khÝ 3 , ®−îc lµm l¹nh tíi nhiÖt ®é vµo kho¶ng − 20 0 C ... − 35 0 C lÇn l−ît trong çc thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 4 vµ 5 do dßng l¹nh cña khÝ kh« vµ chÊt láng ng−ng tô tõ th¸p ph©n t¸ch 7 . Sau ®ã qua bé phËn bay h¬i propan 6 , mét phÇn khÝ ®−îc ng−ng tô vµ ®i vµo th¸p ph©n t¸ch 7 , ë ®ã hydrocacbon ® ng−ng tô ®−îc t¸ch ra. Tõ ®Ønh th¸p 7 khÝ kh« tho¸t ra, sau khi truyÒn l¹nh ë bé phËn trao ®æi nhiÖt 4 ®−îc ®−a vµo ®−êng èng dÉn khÝ chÝnh. II 10 9 4 2 I 3 6 7 5 8 1 11 III H×nh VI.1. S¬ ®å ng−ng tô NNT mét bËc 1,7. Bé phËn t¸ch khÝ; 2. Bé phËn nÐn khÝ; 3. ThiÕt bÞ lµm m¸t b»ng kh«ng khÝ; 4,5. ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt; 6,10. Bé phËn bay h¬i propan; 8. Th¸p t¸ch etan; 9. Håi l−u; 11. Bé phËn ®un nãng; I. KhÝ ®−a vµo chÕ biÕn; II. KhÝ kh« s¶n phÈm; III; Çc hydrocacbon C ≥3 Tõ ®¸y th¸p t¸ch 7 , phÇn ng−ng tô (condensat) ®−îc th¸o ra, sau khi ®−îc truyÒn l¹nh ë bé phËn trao ®æi nhiÖt 5 , nhiÖt ®é ®−îc n©ng tíi 20 0 C ... 30 0 C vµ ®−îc ®−a vµo phÇn gi÷a th¸p t¸ch etan 8 . S¶n phÈm ®Ønh th¸p gåm cã hçn hîp metan (20% ... 70% thÓ tÝch), etan (30% ... 75% thÓ tÝch) vµ propan (kh«ng qu¸ 5% thÓ tÝch) ®−îc trén lÉn víi khÝ kh«, ®−a vµo ®−êng èng dÉn khÝ chÝnh. S¶n phÈm ®¸y th¸p chÝnh lµ ph©n ®o¹n chøa hçn hîp propan vµ hydrocacbon nÆng C ≥ 3 , ®−îc sö dông ®Ó s¶n xuÊt propan, butan, pentan vµ benzin khÝ hoÆc khÝ ®èt cho sinh ho¹t (®un nÊu, s−ëi ...). ViÖc t¸ch hydrocacbon nÆng ®−îc thùc hiÖn trong çc thiÕt bÞ ch−ng t¸ch khÝ ®Æc biÖt cã thÓ cã trong çc nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ, chÕ biÕn dÇu hoÆc ho¸ dÇu. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 133 HiÖu qu¶ lµm viÖc cña th¸p t¸ch etan phô thuéc vµo chÕ ®é c«ng nghÖ cña qu¸ tr×nh, chÕ ®é hîp lý nhÊt ®−îc chän trªn c¬ së tèi −u ho¸ qu¸ tr×nh theo hµng lo¹t th«ng sè (¸p suÊt, nhiÖt ®é, nguån cung cÊp nhiÖt, nhiÖt ®é ®Ønh vµ ®¸y th¸p, ...). Ta ® biÕt r»ng ¸p suÊt trong th¸p cµng cao th× chÕ ®é ®¼ng nhiÖt cã thÓ lµm viÖc cña thiÕt bÞ lµm l¹nh 10 (h×nh VI.1) cµng cao, do ®ã sù t¨ng ¸p suÊt cã thÓ lµm gi¶m tiªu hao n¨ng l−îng ®Ó lµm l¹nh s¶n phÈm ®Ønh th¸p t¸ch etan. Tuy nhiªn viÖc t¨ng ¸p suÊt yªu cÇu t¨ng nhiÖt ®é ®¸y th¸p vµ ®iÒu ®ã liªn quan ®Õn viÖc tiªu tèn thªm nhiÖt. Khi gi¶m ¸p suÊt sÏ quan s¸t ®−îc hiÖn t−îng ng−îc l¹i. Th¸p t¸ch etan ë ®©y lµm viÖc t−¬ng tù çc th¸p ch−ng. ¸ p suÊt trong th¸p 3,0 ... 3,5 MPa. Mét mÆt trong çc ®iÒu kiÖn chÕ biÕn khÝ b»ng ph−¬ng ph¸p ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp d−íi ¸p suÊt 4,0 MPa, viÖc duy tr× ¸p suÊt nh− vËy kh«ng yªu cÇu tiªu tèn n¨ng l−îng bæ sung nµo, mÆt kh¸c ¸p suÊt cao nh− vËy trong th¸p t¸ch etan cho phÐp sö dông t¸c nh©n lµm l¹nh lµ propan ®Ó lµm l¹nh ®Ønh th¸p. ViÖc sö dông ¸p suÊt cao h¬n kh«ng cã lîi, bëi v× khi ®ã çc ®iÒu kiÖn t¸ch khÝ sÏ trë nªn kÐm h¬n. ¸ p suÊt 3,5 MPa gÇn b»ng 0,8 lÇn ¸p suÊt tíi h¹n ®èi víi çc s¶n phÈm ®¸y cña th¸p t¸ch etan. ë ®iÒu kiÖn ¸p suÊt ®ã chÕ ®é nhiÖt ®é cña th¸p t¸ch etan ®−îc khèng chÕ nh− sau: nhiÖt ®é ®Ønh th¸p tõ − 30 ®Õn 0 0 C, nhiÖt ®é ®¸y th¸p tõ 90 ®Õn 120 0 C. VI.1.2. S¬ ®å NNT mét bËc ®Ó nhËn C≥ 3 cã chu tr×nh lµm l¹nh b»ng propan vµ t¸ch etan s¬ bé Do qu¸ tr×nh ng−ng tô mét bËc cã ®é chän läc kh«ng lín nªn tiªu tèn n¨ng l−îng cho bËc t¸ch etan rÊt ®¸ng kÓ. V× vËy trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y trong s¬ ®å NNT mét bËc ng−êi ta bæ sung thªm c«ng ®o¹n t¸ch s¬ bé etan, t¹i ®ã etan ®−îc t¸ch ra mét phÇn do nhiÖt cña khÝ nguyªn liÖu ®−a vµo ë bªn ngoµi cña th¸p t¸ch etan. S¬ ®å ®−a ra trªn h×nh VI.2 lµ s¬ ®å NNT mét bËc cã t¸ch s¬ bé etan. Kh¸c víi s¬ ®å (h×nh VI.1) ®−a ra ë trªn, phÇn chÊt láng ng−ng tô tõ bé phËn t¸ch 7 ®−îc b¬m ®Õn bé phËn trao ®æi nhiÖt 5 , t¹i ®©y nã ®−îc n©ng nhiÖt ®é lªn do dßng khÝ nguyªn liÖu vµo. Sau ®ã chÊt láng ng−ng tô l¹i ®−îc ®−a vµo th¸p t¸ch 8 , ë ®ã b¬m lu«n gi÷ ¸p suÊt cao cho pha h¬i lÊy ra tõ ®Ønh th¸p t¸ch nµy cã thÓ trén víi víi dßng khÝ nguyªn liÖu tr−íc khi vµo bé phËn bay h¬i propan 6 ®Ó ng−ng tô. Do qu¸ tr×nh ®èt nãng s¬ bé condensat ë trong th¸p t¸ch 8 , mét phÇn çc cÊu tö dÔ bay h¬i (chñ yÕu lµ C 1 , C 2 vµ mét Ýt C 3 ) ®−îc bay h¬i lªn ®Ønh th¸p t¸ch 8 vµ sau ®ã ®−îc trén lÉn víi dßng khÝ nguyªn liÖu tr−íc khi vµo 134 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn bé phËn ng−ng tô 6 . Condensat ® t¸ch mét phÇn etan ®−îc lÊy ra tõ ®¸y th¸p 8 qua bé phËn trao ®æi nhiÖt 4 råi ®i vµo th¸p t¸ch etan 9 . II 11 3 6 1 2 I 4 7 8 5 9 10 12 I H×nh VI.2. S¬ ®å NNT cã t¸ch s¬ bé etan 1. M¸y nÐn; 2. ThiÕt bÞ lµm m¸t b»ng kh«ng khÝ; 3,4,5. ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt; 6,11. ThiÕt bÞ bay h¬i propan; 7,8. Th¸p t¸ch; 9. Th¸p t¸ch etan; 10. B×nh chøa cã håi l−u; 12. ThiÕt bÞ ®un s«i ®¸y th¸p. I. KhÝ nguyªn liÖu; II. KhÝ kh«; III. Çc hydrocacbon nÆng. Nh− vËy nguyªn liÖu ®−a vµo th¸p t¸ch etan 9 ® ®−îc t¨ng tû träng vµ víi l−îng Ýt h¬n so víi s¬ ®å NNT b×nh th−êng (s¬ ®å h×nh VI.1). §iÒu ®ã cho phÐp t¨ng nhiÖt ®é ®Ønh th¸p 9 vµ gi¶m t¸c nh©n lµm l¹nh cÇn thiÕt cho qu¸ tr×nh, còng nh− lµm gi¶m l−îng nhiÖt cÇn ®Ó bay h¬i çc cÊu tö dÔ bay h¬i ë çc th¸p t¸ch 7 , 8 . MÆt kh¸c l¹i cÇn ph¶i t¨ng t¸c nh©n l¹nh ®Ó lµm l¹nh khÝ nguyªn liÖu tr−íc khi vµo th¸p 7 do cÇn ph¶i lµm l¹nh c¶ khÝ tuÇn hoµn lÊy ra tõ ®Ønh th¸p 8 . Nh−ng lóc nµy do viÖc cã thÓ t¨ng nhiÖt ®é ®Ønh th¸p t¸ch etan 9 , kÕt qu¶ lµ vÒ mÆt n¨ng l−îng tæng céng vÉn cã lîi. L−îng t¸c nh©n l¹nh cÇn thiÕt ®Ó ng−ng tô khÝ tr−íc khi vµo th¸p t¸ch 7 vµ ng−ng tô khÝ trªn ®Ønh th¸p t¸ch etan 9 còng nh− l−îng nhiÖt cÇn cung cÊp cho ®¸y th¸p t¸ch etan 9 , khi chÕ biÕn khÝ ®ång hµnh cã thµnh phÇn x¸c ®Þnh phô thuéc vµo nhiÖt ®é cÇn thiÕt cña condensat trong bé phËn trao ®æi nhiÖt 5 . V× vËy khi tÝnh to¸n s¬ ®å ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp cã t¸ch s¬ bé etan cÇn ph¶i t×m nhiÖt ®é tèi −u cña condensat trong th¸p t¸ch 8 , phô thuéc thµnh phÇn nguyªn liÖu vµo vµ çc th«ng sè cña qu¸ tr×nh. VÝ dô ®èi víi khÝ cã chøa trªn 450 g/m 3 C ≥ 3 , çc tÝnh to¸n cho thÊy r»ng nhiÖt ®é tèi −u cña condensat lµ 0 0 C. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 135 VI.1.3. S¬ ®å NNT mét bËc ®Ó nhËn C ≥ 3 cã chu tr×nh lµm l¹nh víi t¸c nh©n l¹nh hçn hîp Trong çc s¬ ®å ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp, cïng víi çc chu tr×nh l¹nh tuÇn hoµn b»ng t¸c nh©n l¹nh mét cÊu tö (etan, etylen, propan, ...) cã thÓ sö dông çc thiÕt bÞ l¹nh víi t¸c nh©n l¹nh lµ hçn hîp çc hydrocacbon (metan, etan, propan, butan, ...) gäi lµ t¸c nh©n l¹nh hçn hîp. ViÖc sö dông t¸c nh©n l¹nh hçn hîp nhê cã sù bay h¬i cña çc cÊu tö dÔ bay h¬i cho phÐp nhËn ®−îc nhiÖt ®é thÊp h¬n ®¸ng kÓ so víi ®¼ng nhiÖt bay h¬i cña propan vµ chÝnh v× vËy mµ t¸ch ®−îc triÖt ®Ó çc cÊu tö cÇn thiÕt. Çc th«ng sè cña chu tr×nh l¹nh ®−îc chän sao cho sau khi nÐn trong m¸y l¹nh vµ lµm l¹nh bëi dßng khÝ kh« tõ th¸p 9 ®i ra t¸c nh©n l¹nh hoµn toµn ®−îc ng−ng tô. TÊt c¶ çc s¬ ®å cã sö dông chu tr×nh lµm l¹nh víi t¸c nh©n l¹nh hçn hîp cã thÓ chia thµnh hai nhãm: 1) Nhãm s¬ ®å lµm l¹nh víi t¸c nh©n l¹nh cã thµnh phÇn kh«ng ®æi ®−îc chuÈn bÞ tõ mét phÝa. 2) Nhãm s¬ ®å lµm l¹nh víi t¸c nh©n l¹nh nhËn ®−îc trùc tiÕp trªn thiÕt bÞ, thµnh phÇn cña nã cã thÓ thay ®æi mét chót, phô thuéc vµo sù thay ®æi thµnh phÇn cña nguyªn liÖu ®Çu vµo. Kh¸c víi s¬ ®å cã chu tr×nh lµm l¹nh trong, chu tr×nh lµm l¹nh sö dông t¸c nh©n l¹nh hçn hîp tuÇn hoµn theo chu tr×nh kÝn: m¸y nÐn, thiÕt bÞ lµm m¸t b»ng kh«ng khÝ (hoÆc n−íc) - thiÕt bÞ bay h¬i - m¸y nÐn. Tiªu hao t¸c nh©n l¹nh cã tÝnh hÖ thèng. Nh− vËy chu tr×nh lµm l¹nh cã t¸c nh©n l¹nh hçn hîp lµ chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi. Trªn h×nh VI.3 lµ s¬ ®å ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp chÕ biÕn khÝ ®ång hµnh cã chu tr×nh lµm l¹nh dïng t¸c nh©n l¹nh hçn hîp. Theo s¬ ®å, khÝ ®ång hµnh ®−îc nÐn tíi ¸p suÊt 3,7 MPa ®i vµo thiÕt bÞ lµm m¸t b»ng kh«ng khÝ, thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 3 , thiÕt bÞ bay h¬i t¸c nh©n lµm l¹nh hçn hîp 7 vµ ®−îc lµm l¹nh ®Õn nhiÖt ®é − 60 0 C. Hçn hîp hai pha t¹o thµnh lóc nµy ®−îc ph©n t¸ch ra trong th¸p t¸ch 10 , khÝ kh« sau khi ®−îc truyÒn nhiÖt trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 6 vµ ®−îc dÉn vµo gi÷a th¸p t¸ch etan 11 . KhÝ ®−îc t¸ch ra tõ th¸p t¸ch etan 11 sau khi truyÒn l¹nh trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 3 ®−îc ®−a ®i sö dông, ph©n ®o¹n chøa çc hydrocacbon ®−îc th¸o ra tõ ®¸y th¸p 11 sau khi ®−îc truyÒn nhiÖt trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 9 ®−îc ®−a vµo bÓ chøa. Mét phÇn condensat tõ th¸p ph©n t¸ch 10 cã thÓ ®−a ®i trén ®Ó t¹o hçn 136 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn hîp t¸c nh©n l¹nh, nã ®−îc gia nhiÖt trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 9 b»ng çc s¶n phÈm cña th¸p 11 ®Õn nhiÖt ®é 20 ... 45 0 C, mét phÇn ®−îc bay h¬i vµ t¸ch khÝ trong th¸p t¸ch 8 , qua van tiÕt l−u 14 gi¶m ¸p suÊt tíi 0,118 ... 0,125 MPa, hoµn toµn ®−îc bay h¬i vµ ®−îc ®−a vµo m¸y nÐn 4 cña chu tr×nh l¹nh, vµ tõ ®©y nã trë thµnh t¸c nh©n l¹nh. II 4 5 6 14 12 2 I 1 3 13 10 7 11 8 9 III H×nh VI.3. S¬ ®å NNT cã chu tr×nh lµm l¹nh dïng t¸c nh©n l¹nh hçn hîp 1,4. M¸y nÐn; 8,10. Bé phËn t¸ch khÝ; 2,5. Trao ®æi nhiÖt kh«ng khÝ; 11. Th¸p t¸ch etan; 3,6,9. ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt; 12. Håi l−u; 7. ThiÕt bÞ bay h¬i t¸c nh©n l¹nh hçn hîp; 13,14. Van tiÕt l−u; I. KhÝ nguyªn liÖu; II. KhÝ kh«; III. Çc hydrocacbon nÆng. Trong s¬ ®å nµy, t¸c nh©n l¹nh ®−îc nÐn trong m¸y nÐn 4 tíi ¸p suÊt vµo kho¶ng 1,1 ... 1,5 MPa, lµm l¹nh, ng−ng tô vµ lµm l¹nh tiÕp ®Õn −40 0 C ... − 50 0 C trong trao ®æi nhiÖt kh«ng khÝ 5 , trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 6 vµ thiÕt bÞ bay h¬i 7 , qua van tiÕt l−u 14 gi¶m ¸p tíi 0,1 ... 0,125 MPa. Sau khi qua van tiÕt l−u, t¸c nh©n lµm l¹nh cã nhiÖt ®é − 65 0 C ®−îc dÉn ®Õn kh«ng gian gi÷a çc èng cña thiÕt bÞ bay h¬i 7 , t¹i ®©y nã ®−îc sö dông nh− hçn hîp lµm viÖc. Lóc nµy t¸c nh©n lµm l¹nh hoµn toµn bay h¬i, ®−îc gia nhiÖt tõ − 65 0 C ®Õn 15 ... 20 0 C vµ do ®ã nã lµm l¹nh khÝ nguyªn liÖu vµo (lµ khÝ ®ång hµnh) ®−îc ®−a vµo bªn trong chïm èng cña thiÕt bÞ bay h¬i 7 . Hçn hîp t¸c nh©n lµm l¹nh sau khi ra khái 7 ®−îc ®−a vÒ m¸y nÐn 4 . Khi tÝnh to¸n chu tr×nh lµm l¹nh cÇn x¸c ®Þnh çc th«ng sè sau: ®é dÉn http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 137 l¹nh riªng, l−îng t¸c nh©n l¹nh, nhiÖt ®é hçn hîp tr−íc van tiÕt l−u, khèi l−îng ph©n tö cña t¸c nh©n l¹nh, n¨ng l−îng tiªu tèn trªn m¸y nÐn vµ trªn toµn bé chu tr×nh. VI.1.4. S¬ ®å NNT mét bËc ®Ó nhËn C ≥ 2 cã chu tr×nh lµm l¹nh b»ng propan vµ etan §Æc ®iÓm cña s¬ ®å nµy lµ cã hai nguån l¹nh: chu tr×nh lµm l¹nh b»ng propan vµ chu tr×nh lµm l¹nh b»ng etan. Theo s¬ ®å m« t¶ trªn h×nh VI.4, khÝ ®−îc lµm l¹nh liªn tôc vµ mét phÇn ®−îc ng−ng tô trong thiÕt bÞ lµm m¸t b»ng kh«ng khÝ 3 , thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 6 , bé phËn bay h¬i propan 7 , thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 8 vµ bé phËn bay h¬i 9 , ch−a cã sù t¸ch pha láng. §iÒu ®ã cho phÐp thùc hiÖn tèt h¬n nh÷ng ®iÒu kiÖn cÇn thiÕt ®Ó t¸ch etan, bëi v× etan trong pha láng cña çc hydrocacbon nÆng tèt h¬n, do ®ã t¨ng tæng sè etan t¸ch ra ®−îc ë bËc sau. §Æc ®iÓm thø hai cña s¬ ®å lµ cã th¸p t¸ch etan vµ th¸p t¸ch metan ®Ó nhËn ®−îc s¶n phÈm C ≥ 2 . NhiÖm vô cña th¸p t¸ch metan lµ t¸ch toµn bé metan ra khái ph©n ®o¹n chøa hydrocacbon C ≥ 2 . Th¸p t¸ch metan lµm viÖc ë ®iÒu kiÖn ¸p suÊt 3,5 ... 4,0 MPa, nhiÖt ®é håi l−u lµ 60 ... 900 C. NhiÖt ®é nµy ®−îc x¸c ®Þnh bëi møc ®é t¸ch etan: møc ®é t¸ch etan cµng cao ®ßi hái nhiÖt ®é håi l−u cµng thÊp. NhiÖt ®é ®¸y th¸p t¸ch metan th−êng ®−îc duy tr× ë 20 ... 60 0 C. Sè ®Üa trong th¸p t¸ch metan lµ 20 ... 25 ®Üa. II 15 12 IV 11 1 4 2 3 10 7 5 13 16 I 14 6 8 9 III H×nh VI.4. S¬ ®å NNT mét bËc cã chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi b»ng propan vµ etan ®Ó nhËn C ≥2 1,4,10. Çc th¸p t¸ch; 2. M¸y nÐn; 3. ThiÕt bÞ lµm m¸t b»ng kh«ng khÝ ; 5. Bloc sÊy; 6,8. Trao ®æi nhiÖt; 7,12,15. Bay h¬i propan; 9. Bay h¬i etan; 11. Th¸p t¸ch metan; 13,16. Håi l−u; 14. Th¸p t¸ch etan; I. KhÝ nguyªn liÖu; II. KhÝ kh«. III. Çc hydrocacbon nÆng; IV. Etan s¶n phÈm. 138 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Khi lµm viÖc, th¸p t¸ch metan cÇn ph¶i tu©n theo çc yªu cÇu vÒ s¶n phÈm nh− sau : - Hµm l−îng etan trong s¶n phÈm ®Ønh th¸p kh«ng qu¸ 5% khèi l−îng so víi tæng sè hµm l−îng etan trong nguyªn liÖu vµo th¸p . - Hµm l−îng metan trong s¶n phÈm ®¸y th¸p kh«ng qu¸ 2% khèi l−îng so víi hµm l−îng etan trong s¶n phÈm ®¸y th¸p . Th¸p t¸ch etan th−êng lµm viÖc ë ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é thÊp còng nh− th¸p t¸ch metan, nh−ng khi ®ã nhiÖt ®é ®Ønh th¸p cao h¬n nhiÒu, kho¶ng 0 ®Õn 10 0 C, do hµm l−îng metan kh«ng ®¸ng kÓ trong nguyªn liÖu vµo vµ do ®ã trong s¶n phÈm ®Ønh th¸p t¸ch etan còng cã hµm l−îng metan rÊt nhá (kh«ng qu¸ 2% khèi l−îng). Th¸p t¸ch cÇn ph¶i ®¸p øng çc yªu cÇu s¶n phÈm sau: Hµm l−îng propan trong s¶n phÈm ®Ønh th¸p kh«ng qu¸ 2% khèi l−îng so víi hµm l−îng etan trong s¶n phÈm ®Ønh th¸p; hµm l−îng etan trong s¶n phÈm ®¸y th¸p kh«ng qu¸ 2% khèi l−îng so víi hµm l−îng propan trong s¶n phÈm ®¸y th¸p. VI.1.5. S¬ ®å NNT hai bËc ®Ó nhËn C ≥ 2 cã chu tr×nh lµm l¹nh b»ng propan vµ etan S¬ ®å ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp ®¬n gi¶n nhÊt cã chu tr×nh lµm l¹nh hai bËc lµ s¬ ®å lµm l¹nh b»ng propan - etan hoÆc propan - etylen. Th«ng th−êng víi s¬ ®å lµm l¹nh hai bËc: ë bËc mét khÝ ®−îc lµm l¹nh do chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi, cßn ë bËc thø hai do etylen hoÆc etan. Nh÷ng s¬ ®å nµy dïng ®Ó t¸ch triÖt ®Ó propan (trªn 80%), hoÆc ®Ó t¸ch etan hoÆc çc hydrocacbon nÆng h¬n. Trªn h×nh VI.5 lµ s¬ ®å c«ng nghÖ nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ ë Gastine (bang T©y Virginia, Mü). Nhµ m¸y ® ®−a vµo s¶n xuÊt n¨m 1969 vµ ® tÝnh to¸n ®Ó nhËn ®−îc C ≥ 2 . C«ng suÊt nhµ m¸y theo nguyªn liÖu vµo lµ 4,25 triÖu m 3 khÝ tù nhiªn trong mét ngµy ®ªm (kho¶ng 1,5 tû m 3 /n¨m). S¶n l−îng nhµ m¸y theo thiÕt kÕ ®èi víi çc s¶n phÈm chÝnh: etan 162.10 3 tÊn/n¨m, propan 238.10 3 m 3 /n¨m, n -butan 71,2.10 3 m 3 / n¨m; izo -butan 33,3.10 3 m 3 /n¨m, benzin 71,9.10 3 m 3 /n¨m. Trong s¬ ®å nµy ® sö dông ph−¬ng ph¸p ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp víi chu tr×nh lµm l¹nh hai bËc b»ng propan - etylen. KhÝ tù nhiªn sau khi qua th¸p t¸ch s¬ bé 1 ®−îc lµm s¹ch khái çc t¹p chÊt c¬ häc, ®i vµo th¸p sÊy 2 cã chøa r©y ph©n tö, ë ®©y khÝ ®−îc sÊy ®Õn ®iÓm s−¬ng −840C vµ sau ®ã ®−îc lµm s¹ch bôi ë bé phËn läc 3. Qua hÖ thèng http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 139 140 VIII 9 8 6 4 1 C2 I 7 2 10 5 C3 C2 11 3 12 17 14 34 33 22 16 15 23 35 29 28 II II I 40 19 20 13 16 36 26 24 21 37 30 31 25 41 39 32 http://www.ebook.edu.vn 27 38 V V VII H×nh VI.5. S¬ ®å c«ng nghÖ nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ ë T©y Virginia (Mü) 1. Th¸p t¸ch s¬ bé; 2. Th¸p sÊy; 3. Läc; 4. HÖ thèng trao ®æi nhiÖt vµ bay h¬i propan; 5,7. Th¸p t¸ch nhiÖt ®é thÊp; 6. HÖ thèng trao ®æi nhiÖt vµ bay h¬i etylen; 8,15, 19, 23, 29, 36. Håi l−u; 9. ThiÕt bÞ lµm m¸t b»ng etylen; 10. Th¸p t¸ch metan; 11, 16, 21, 25, 31, 39. Bé phËn ®un s«i ®¸y th¸p; 12. BÝnh chøa trung gian; 13. Th¸p t¸ch etan; 14, 33. Chu tr×nh bay h¬i propan; 17. Bloc lµm s¹ch CO 2 ; 18, 22, 27, 28, 32, 40. ThiÕt bÞ lµm m¸t b»ng kh«ng khÝ; 20. Th¸p t¸ch propan; 24. Th¸p t¸ch butan; 26. ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt; 30. Cét izo-butan; 34. B×nh chøa etan; 35. Bloc lµm s¹ch H 2 S; 37. §èt nãng s¬ bé; 38. Bloc lµm s¹ch benzin; 41. Th¸p ch−ng condensat; I. KhÝ nguyªn liÖu; II. Etan; III. Propan; IV. izo-Butan; V. CÆn benzin; VI. n-Butan; VII. Benzin; VIII. KhÝ kh«. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn trao ®æi nhiÖt 4 nhê dßng khÝ kh« l¹nh ®i ng−îc chiÒu vµ bé phËn bay h¬i propan, khÝ tù nhiªn ®−îc lµm l¹nh ®Õn −37 0 C. Khi ®ã kho¶ng mét nöa hydrocacbon ®−îc ng−ng tô. Chóng ®−îc t¸ch ra ë th¸p t¸ch 5 vµ ®−îc dÉn vµo th¸p t¸ch metan 10 . Cßn khÝ ®i ra tõ th¸p t¸ch 5 ®−îc lµm l¹nh ®Õn − 93 0 C trong hÖ thèng trao ®æi nhiÖt vµ bay h¬i etylen 6 b»ng khÝ kh«, condensat vµ etylen ®ang s«i. Ph©n ®o¹n láng lÊy ra khi nµy ®−îc ph©n t¸ch trong th¸p t¸ch 7 vµ sau khi tuÇn hoµn l¹nh ®−îc ®−a vµo th¸p t¸ch metan 10 , cßn khÝ tho¸t ra ®−îc ®−a ®i sö dông. Theo s¬ ®å nµy kho¶ng 87% etan, gÇn 99% propan vµ toµn bé hydrocacbon nÆng ®−îc t¸ch ra. Nh»m môc ®Ých lµm gi¶m mÊt m¸t etylen theo khÝ ®i ra tõ ®Ønh th¸p khi sö dông t¸c nh©n lµm l¹nh lµ etylen, ¸p suÊt trong th¸p t¸ch metan ®−îc duy tr× ë gi¸ trÞ 3,5 MPa, nhiÖt ®é ®Ønh th¸p − 95 0 C. Tuú theo l−îng metan t¸ch ra, phÇn hydrocacbon láng tõ ®¸y th¸p t¸ch metan liªn tôc ®−îc ®−a vµo thiÕt bÞ t¸ch khÝ ®Ó nhËn ®−îc tõng hydrocacbon riªng biÖt: etan, propan, izo butan, n -butan vµ benzin. S¬ ®å ®ang xÐt lµ s¬ ®å rÊt ®iÓn h×nh ®−îc øng dông trong nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh ®Ó nhËn ®−îc etan vµ çc hydrocacbon nÆng h¬n. Kh«ng cã sù kh¸c nhau vÒ mÆt nguyªn t¾c gi÷a chu tr×nh lµm l¹nh sö dông t¸c nh©n l¹nh propan - etan vµ propan - etylen. Chu tr×nh l¹nh propan - etylen cho phÐp nhËn ®−îc nhiÖt ®é thÊp h¬n (nhiÖt ®é s«i cña etan b»ng − 88,65 0 C, nhiÖt ®é s«i cña etylen b»ng −103,71 0 C), nh−ng −u ®iÓm cña chu tr×nh propan - etan lµ ë chç c¶ hai t¸c nh©n l¹nh (propan vµ etan) cã thÓ nhËn ®−îc trùc tiÕp tõ nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ, ®iÒu ®ã ®¶m b¶o tÝnh ®éc lËp cao cña nhµ m¸y. VI.1.6. S¬ ®å NNT ba bËc ®Ó nhËn C≥ 3 víi chu tr×nh lµm l¹nh b»ng propan Trong thùc tÕ chÕ biÕn khÝ, ng−êi ta sö dông s¬ ®å nhiÒu bËc cã øng dông kÕt hîp çc chu tr×nh lµm l¹nh kh¸c nhau. XÐt vÝ dô s¬ ®å ba bËc cã chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi b»ng propan, trong ®ã propan ®−îc bay h¬i trªn mçi bËc theo çc ®−êng ®¼ng nhiÖt kh¸c nhau. ë bËc ng−ng tô thø nhÊt, khÝ ®−a vµo ®−îc lµm l¹nh ®Õn nhiÖt ®é trung gian nµo ®ã cao h¬n nhiÖt ®é ë bËc ng−ng tô tiÕp theo, sau ®ã hçn hîp hai pha t¹o thµnh ®−îc t¸ch riªng pha láng vµ pha h¬i. Pha h¬i ®−a vµo ng−ng tô http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 141 nhiÖt ®é thÊp ë bËc thø hai, ë ®©y khÝ ®−îc lµm l¹nh thÊp h¬n bËc ®Çu tiªn nh−ng cao h¬n nhiÖt ®é ng−ng tô ë bËc thø ba. Sau ®ã pha láng vµ pha h¬i mét lÇn n÷a l¹i ®−îc t¸ch riªng: pha h¬i ®−a vµo ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp ë bËc thø ba, ë ®ã h¬i ®−îc ng−ng tô ®Õn nhiÖt ®é ® chän vµ l¹i trë thµnh hai pha láng vµ h¬i. Pha láng t¸ch ra sau mçi bËc ng−ng tô ®−îc ®−a vµo th¸p t¸ch etan. II 13 4 1 2 3 9 8 6 5 12 I 4 11 7 10 14 III H×nh VI.6. S¬ ®å thiÕt bÞ NNT ba giai ®o¹n 1,6,8,9. Çc th¸p t¸ch; 2. M¸y nÐn; 3. ThiÕt bÞ lµm m¸t b»ng kh«ng khÝ; 4. ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt; 5,7,10,13. ThiÕt bÞ bay h¬i propan; 11. Th¸p t¸ch etan; 14. ThiÕt bÞ ®un s«i ®¸y th¸p; 12. Håi l−u; I. KhÝ nguyªn liÖu; II. KhÝ kh«; III. Ph©n ®o¹n chøa çc hydrocacbon nÆng. S¬ ®å NNT mét vµ nhiÒu bËc cã nh÷ng −u ®iÓm vµ nh−îc ®iÓm riªng. Nh− ® biÕt tõ lý thuyÕt çc qu¸ tr×nh bay h¬i vµ ng−ng tô, pha láng t¹o thµnh do qu¸ tr×nh ng−ng tô mét bËc lín h¬n khi ng−ng tô nhiÒu bËc (cïng çc th«ng sè c«ng nghÖ). Tuy nhiªn trong qu¸ tr×nh ng−ng tô mét bËc, pha láng cã chøa çc cÊu tö dÔ bay h¬i nhiÒu h¬n (vÝ dô: metan, ...), ®ã lµ ®iÒu kh«ng mong muèn, tøc lµ ®é chän läc cña qu¸ tr×nh ng−ng tô mét bËc thÊp h¬n. §iÒu ®ã dÉn ®Õn t¨ng l−îng mÊt m¸t çc s¶n phÈm nhÑ metan vµ etan. §Ó so s¸nh çc ph−¬ng ¸n kh¸c nhau, chóng ta sÏ xÐt hiÖu qu¶ cña çc s¬ ®å mét bËc (h×nh VI.1) lµm viÖc ë ¸p suÊt 3,0 MPa vµ nhiÖt ®é − 30 0 C, vµ s¬ ®å ba bËc (h×nh VI.6) lµm viÖc ë 3,0 MPa, nhiÖt ®é lµm l¹nh t¹i çc bËc nh− sau bËc I: 50C, bËc II: −150C, bËc III: −300C, n¨ng suÊt cña c¶ hai ph−¬ng ¸n lµ 500 triÖu m 3 khÝ ®ång hµnh / n¨m. Thµnh phÇn hçn hîp nh− sau: 142 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Thµnh phÇn khÝ: % khèi l−îng: % mol: C1 25,7 45,9 C2 22,5 21,2 C3 25,4 14,6 izo-C 4 6,2 3,1 C4 12,3 6,0 C5 4,9 2,0 CO 2 0,5 5,1 N2 2,5 0,3 ρ 20 1,239 − KÕt qu¶ tÝnh to¸n so s¸nh s¬ ®å ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp ®−a ra d−íi ®©y: T¸ch hydrocacbon tõ khÝ trong s¬ ®å NNT % CH 4 % C2H6 % C3H8 % C≥3 T¸ch C ≥ 3 kÓ c¶ bloc t¸ch etan (%) Tiªu thô l¹nh, kJ/h: Tæng sè Trong ®ã: Trªn bloc ng−ng tô Trªn bloc t¸ch etan Tiªu thô nhiÖt tæng céng, kJ/h S¬ ®å mét bËc S¬ ®å nhiÒu bËc 23,3 68,3 90,2 93,25 92,1 14,1 53,6 70,0 91,8 90,5 15.429.095 7.452.860 7.976.235 12.139.000 13.817.100 8.039.040 5.778.060 10.884.000 Ph©n tÝch çc sè liÖu nhËn ®−îc thÊy r»ng, khi chuyÓn tõ s¬ ®å mét bËc sang s¬ ®å ba bËc, l−îng metan ®−îc t¸ch ra nhá h¬n 1,7 lÇn, etan nhá h¬n 1,26 lÇn, trong khi tæng sè toµn bé hydrocacbon nÆng (C ≥ 3 ) gi¶m ®i 1,6%. Trong khi ®ã tiªu thô l¹nh gi¶m 12% vµ trªn bloc t¸ch etan chØ cßn Ýt metan vµ etan h¬n so víi s¬ ®å NNT mét bËc. CÇn ph¶i nhÊn m¹nh r»ng, ®Ó thùc hiÖn qu¸ tr×nh NNT nhiÒu bËc cÇn vèn ®Çu t− lín. So s¸nh çc qu¸ tr×nh ®−a ra ë trªn theo møc tiªu hao n¨ng l−îng vµ vèn, ta thÊy r»ng çc chØ tiªu kinh tÕ - kü thuËt cña çc qu¸ tr×nh mét bËc vµ ba bËc trªn thùc tÕ lµ nh− nhau. V× vËy trong s¬ ®å ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp ®Ó t¸ch C ≥ 3 cã chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi b»ng propan ng−êi ta th−êng sö dông chu tr×nh mét bËc. S¬ ®å NNT hai vµ ba bËc th−êng dïng ®Ó t¸ch s©u C ≥ 3 hoÆc C ≥ 2 . Trong nh÷ng s¬ ®å nµy ng−êi ta th−êng sö dông hoÆc chu tr×nh lµm l¹nh theo bËc, hoÆc chu tr×nh lµm l¹nh trong, hoÆc lµ kÕt hîp çc chu tr×nh lµm l¹nh. VI.2. S¬ ®å ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp (NNT) cã chu tr×nh lμm l¹nh trong §Ó chÕ biÕn khÝ cã hµm l−îng C ≥ 3 kh«ng qu¸ 70 ... 75 g/m 3 , ng−êi ta th−êng ¸p dông çc s¬ ®å NNT víi nguån l¹nh duy nhÊt lµ tuabin gi n në http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 143 khÝ, ®¶m b¶o t¸ch triÖt ®Ó çc cÊu tö theo yªu cÇu ®Þnh tr−íc: etan, propan vµ çc hydrocacbon nÆng. Khi chÕ biÕn khÝ tù nhiªn, çc tuabin gi n në khÝ sö dông n¨ng l−îng khÝ. Khi chÕ biÕn khÝ ®ång hµnh ng−êi ta nÐn khÝ s¬ bé ®Ó t¹o ¸p suÊt cÇn thiÕt tr−íc khi ®−a vµo thiÕt bÞ gi n në khÝ (gäi lµ çc detendre). Trong çc s¬ ®å cã chu tr×nh lµm l¹nh trong, cïng víi sù gi n në khÝ ® t¸ch mét phÇn benzin ng−êi ta cßn th−êng dïng sù tiÕt l−u dßng chÊt láng. VI.2.1. S¬ ®å ®iÓn h×nh cña mét nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ cã tuabin gi·n në khÝ S¬ ®å nhµ m¸y lo¹i nµy bao gåm çc c«ng ®o¹n chÝnh sau (h×nh VI.7): ♦ C«ng ®o¹n nÐn khÝ ban ®Çu khi chÕ biÕn khÝ ®ång hµnh: (ë çc nhµ m¸y cña Mü th−êng kh«ng cã c«ng ®o¹n nµy bëi v× khÝ ®ång hµnh ® ®−îc nÐn trùc tiÕp ngay t¹i n¬i khai th¸c). ♦ SÊy khÝ ♦ ♦ ♦ ♦ C«ng ®o¹n t¸i sinh l¹nh vµ nhiÖt cña çc dßng khÝ ng−îc chiÒu nhau. C«ng ®o¹n t¸ch khÝ ¸p suÊt cao. C«ng ®o¹n gi n në khÝ b»ng tuabin cã t¸ch khÝ ¸p suÊt thÊp. T¸ch metan cña çc chÊt láng ng−ng tô nÕu yªu cÇu ®Þnh tr−íc lµ nhËn etan vµ çc hydrocacbon nÆng C ≥ 2 ; t¸ch etan cña condensat nÕu yªu cÇu nhËn propan vµ çc hydrocacbon nÆng C ≥ 3 . ♦ NÐn khÝ kh« ®Õn ¸p suÊt cÇn thiÕt ®Ó ®−a vµo ®−êng èng dÉn. II 3 5 I 1 2 6 7 4 III H×nh VI.7. S¬ ®å nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ sö dông tuabin gi·n në khÝ 1. C«ng ®o¹n sÊy khÝ (b»ng r©y ph©n tö); 2. Bé phËn trao ®æi nhiÖt ; 3. Tuabin nÐn; 4. Bé phËn t¸ch ¸p suÊt cao; 5. Tuabin gi·n në khÝ ; 6. Bé phËn t¸ch ¸p suÊt thÊp (1,4 ... 2,8 MPa); 7. Th¸p t¸ch metan; I. KhÝ nguyªn liÖu (7,0 MPa, 27 0 C); II. KhÝ t¸ch benzin (7,0 MPa); III. S¶n phÈm láng (hÖ sè t¸ch C 2 40 - 70%; C 3 95%; C ≥ 4 99%) 144 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ( VI.2.2. S¬ ®å NNT hai bËc ®Ó t¸ch C ≥ 3 cã tuabin gi·n në khÝ, tiÕt l−u dßng chÊt láng Nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ ®Çu tiªn cã tuabin gi n në khÝ ® ®−a vµo thö nghiÖm n¨m 1964 (h ng Costal Steits Gas Producing ë San - Antonio bang Texas, Mü). C«ng suÊt nhµ m¸y theo khÝ nguyªn liÖu vµo lµ 3,7 triÖu m 3 khÝ trong mét ngµy ®ªm. ë nhµ m¸y nµy ng−êi ta kh«ng t¸ch etan v× kh«ng cã nhu cÇu t¹i chç. Ng−êi ta t¸ch ®−îc 85% propan vµ hydrocacbon nÆng. Kh«ng cÇn thiÕt ph¶i nÐn khÝ kh« lÇn thø hai, bëi v× khÝ ®−îc ®−a trùc tiÕp vµo hÖ thèng nÐn khÝ cña thµnh phè San - Antonio d−íi ¸p suÊt tuyÖt ®èi lµ 2,1 MPa (h×nh VI.8). 9 6 II 3 10 1 4 I 5 2 III IV 7 V 8 H×nh VI.8. S¬ ®å chÕ biÕn khÝ ë nhµ m¸y San - Antonio (bang Texas, Mü) 1,9. Çc th¸p t¸ch; 2,3,4. Bé phËn trao ®æi nhiÖt; 5. Th¸p t¸ch ba pha; 6. Tuabin gi·n në vµ nÐn khÝ; 7. ThiÕt bÞ ®Ó t¸i sinh metanol; 8. ThiÕt bÞ thæi giã; 10. Th¸p t¸ch etan; I. KhÝ nguyªn liÖu; II. KhÝ kh«; III. S¶n phÈm t¸ch etan; IV. Metanol; V. PhÇn ng−ng tô. KhÝ cã ¸p suÊt 5,2 MPa ®i vµo th¸p t¸ch 1 , t¹i ®©y nh÷ng giät chÊt láng ®−îc t¸ch ra khái khÝ. Sau khi ra khái th¸p t¸ch, khÝ ®−îc lµm l¹nh trong çc thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 2 , 3 vµ 4 nhê dßng khÝ kh« vµ condensat tõ bé phËn thæi giã 8 cã nhiÖt ®é −54 0 C ®i ng−îc chiÒu. Sau ®ã khÝ võa ®−îc lµm l¹nh sÏ ®−îc dÉn ®Õn th¸p t¸ch 5 . Tr−íc khi vµo çc thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt, ng−êi ta b¬m metanol vµo khÝ. Trong th¸p t¸ch ba pha 5 , metanol b o hoµ n−íc, çc hydrocacbon ng−ng tô vµ khÝ ®−îc t¸ch riªng. Dung dÞch metanol trong n−íc ®−îc t¸i sinh trong th¸p 7 . Çc hydrocacbon ng−ng tô ®−îc ®−a tõ th¸p http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 145 t¸ch 5 vµo bé phËn thæi giã 8 , ë ®©y ¸p suÊt gi¶m xuèng 1,8 MPa, nhiÖt ®é condensat gi¶m xuèng − 84 0 C. KhÝ t¹o thµnh nhê sù tiÕt l−u nµy tõ th¸p 8 ®−îc dÉn vµo ®−êng èng dÉn khÝ kh«, cßn condensat qua thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 2 vµo phÇn gi÷a cña th¸p t¸ch etan 10 . KhÝ tõ th¸p t¸ch 5 ®i vµo tuabin gi n në khÝ 6 , t¹i ®©y ¸p suÊt cña nã gi¶m ®Õn 1,8 MPa, sau ®ã ®−îc dÉn vµo th¸p t¸ch 9 ë trªn ®Ønh cña th¸p 10 . KhÝ tõ th¸p t¸ch 9 sau khi truyÒn nhiÖt ë 3 vµ 4 ®−îc m¸y nÐn ®Õn ¸p suÊt 2,1 MPa, m¸y nÐn nèi víi mét trôc cña tuabin 6 . Ph©n ®o¹n chøa çc hydrocacbon nÆng ®−îc th¸o ra tõ ®¸y th¸p t¸ch etan 10 . NÐt ®Æc tr−ng cña s¬ ®å võa xÐt trªn lµ nhiÖt l−îng cÇn thiÕt nhËn ®−îc do sù gi n në khÝ ® t¸ch benzin vµ sù tiÕt l−u condensat trong thiÕt bÞ thæi giã 8 . VI.2.3. S¬ ®å nguyªn lý thiÕt bÞ NNT cã tuabin gi·n në khÝ ®Ó chÕ biÕn khÝ tù nhiªn Nh÷ng nghiªn cøu gÇn ®©y cho thÊy r»ng, s¬ ®å cã tæ hîp tuabin gi n në khÝ chÕ biÕn khÝ tù nhiªn cã hiÖu qu¶ cao h¬n so víi çc s¬ ®å chÕ biÕn khÝ tù nhiªn kh¸c. S¬ ®å nguyªn lý thiÕt bÞ NNT cã tuabin ®Ó chÕ biÕn khÝ tù nhiªn ®−îc ®−a ra trªn h×nh VI.9. II 4 6 5 2 1 3 I III H×nh VI.9. S¬ ®å nguyªn lý thiÕt bÞ NNT cã tuabin gi·n në khÝ 146 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 1,3,5. Çc th¸p t¸ch; 2. ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt; 4. Tuabin; 6. M¸y nÐn cña tæ hîp tuabin; I. KhÝ míi khai th¸c ®−îc dÉn vµo thiÕt bÞ; II. KhÝ kh« sau khi ®−îc chÕ biÕn ra khái hÖ thèng thiÕt bÞ; III. Condensat ®−îc dÉn ®Õn thiÕt bÞ æn ®Þnh. KhÝ sau khi ®−îc chÕ biÕn s¬ bé ë th¸p t¸ch 1 ®−îc lµm l¹nh trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 2 vµ ®i vµo th¸p t¸ch bËc mét ë ¸p suÊt cao 3 , ®−îc gi n në, lµm l¹nh vµ ng−ng tô mét phÇn trong tuabin 4 vµ ®i vµo th¸p t¸ch bËc hai ë ¸p suÊt thÊp 5 . Tõ th¸p t¸ch ra, khÝ ®−îc dÉn vµo kh«ng gian gi÷a çc èng cña thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt d¹ng èng chïm 2 vµ sau khi ®−îc nÐn trong m¸y nÐn 6 (m¸y nÐn nèi víi mét trôc cña tuabin) khÝ ®−îc dÉn vµo ®−êng èng dÉn khÝ chung, condensat cña qu¸ tr×nh t¸ch ®−îc dÉn vµo thiÕt bÞ æn ®Þnh. ¦u ®iÓm cña s¬ ®å cã tæ hîp tuabin lµ: cã kh¶ n¨ng tù ®éng ho¸ hoµn toµn, cã thÓ x©y dùng s¬ ®å chÕ biÕn khÝ thÝch hîp cho nh÷ng má khÝ kh¸c nhau, ®iÒu ®ã ®¶m b¶o kh¶ n¨ng x©y dùng nhanh chãng hÖ thèng thiÕt bÞ do viÖc gi¶m nhÑ khèi l−îng c«ng viÖc x©y l¾p trùc tiÕp hÖ thèng thiÕt bÞ. VI.3. S¬ ®å ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp (NNT) cã chu tr×nh lμm l¹nh tæ hîp VI.3.1. S¬ ®å NNT mét bËc ®Ó nhËn C ≥ 3 cã chu tr×nh lµm l¹nh tæ hîp (chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi b»ng propan vµ tiÕt l−u dßng chÊt láng) Trªn h×nh VI.10 lµ s¬ ®å ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp cã tiÕt l−u condensat tõ th¸p 11 . Theo s¬ ®å nµy, khÝ ®ång hµnh sau khi nÐn (trªn h×nh kh«ng cã c«ng ®o¹n nµy) ®Õn th¸p ¸p suÊt 2,0 MPa ®i qua bé phËn gia nhiÖt 13 cña th¸p t¸ch etan 12 , trao ®æi nhiÖt b»ng kh«ng khÝ 3 , sau ®ã qua hµng lo¹t thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 4 , 6 , 7 , 9 vµ bé phËn bay h¬i 5 , 8 cña chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi (vÝ dô nh− chu tr×nh dïng propan), mét phÇn khÝ ®−îc ng−ng tô, khÝ cã nhiÖt ®é − 10 0 C ®−îc ®−a vµo th¸p t¸ch 11 ®Ó t¸ch phÇn ng−ng tô. KhÝ kh« tõ ®Ønh th¸p t¸ch sau khi trao ®æi nhiÖt víi dßng khÝ nguyªn liÖu ®−îc dÉn ra khái hÖ thèng ®−a ®i sö dông. Condensat tõ ®¸y th¸p t¸ch 11 ®i qua thiÕt bÞ tiÕt l−u 10 , t¹i ®©y ¸p suÊt condensat gi¶m xuèng 1,0 MPa, nhiÖt ®é − 18 0 C. Dßng condensat l¹nh ®i qua thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 9 ®Æt ngay phÝa tr−íc th¸p 11 , sau ®ã lµ thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 7 vµ ®i vµo ®Ønh th¸p t¸ch bèc h¬i 12 . T¹i ®©y ë ¸p suÊt 1 MPa x¶y ra sù t¸ch etan, çc hydrocacbon nÆng ®−îc lÊy ra tõ ®¸y th¸p 12 ®−a ®i chÕ biÕn tiÕp. Çc hydrocacbon nhÑ bay h¬i tõ ®Ønh th¸p 12 qua thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 4 , ®−îc nÐn trong m¸y nÐn 2 ®Õn ¸p http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 147 suÊt cña dßng khÝ nguyªn liÖu, ®−îc lµm l¹nh trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt b»ng kh«ng khÝ 1 vµ ®−îc trén lÉn víi dßng khÝ vµo. §Æc ®iÓm cña s¬ ®å nµy lµ khÝ tuÇn hoµn tõ th¸p t¸ch etan bao gåm çc hydrocacbon nhÑ (trong ®ã chñ yÕu lµ etan) vµ dßng khÝ vµo, do ®ã condensat nhËn ®−îc giµu etan h¬n. T¸c nh©n l¹nh nhËn ®−îc do qu¸ tr×nh tiÕt l−u condensat ®−îc t¨ng lªn vµ ®¶m b¶o dßng sau khi tiÕt l−u cã nhiÖt ®é thÊp h¬n. So víi s¬ ®å t−¬ng tù nh−ng kh«ng cã tiÕt l−u condensat th× s¬ ®å võa m« t¶ trªn cã lîi h¬n vÒ mÆt kinh tÕ: s¶n xuÊt 1 kmol ph©n ®o¹n hydrocacbon nÆng C ≥ 3 theo s¬ ®å nµy yªu cÇu 5,63 m 3 nhiªn liÖu, cßn s¬ ®å kh«ng cã tiÕt l−u condensat cÇn tíi 6,23 m3 . Nh− vËy trong s¬ ®å nµy, tÝnh to¸n víi yªu cÇu t¸ch propan kh«ng triÖt ®Ó, chu tr×nh lµm l¹nh cho nhiÖt ®é kh«ng thÊp h¬n so víi chu tr×nh lµm l¹nh b»ng propan, mµ cho çc chØ tiªu kinh tÕ kh¸c tèt h¬n. S¬ ®å nµy cã thÓ ¸p dông ®Ó t¸ch triÖt ®Ó propan, cßn khi hiÖn ®¹i ho¸ nã th× cã thÓ ¸p dông ®Ó t¸ch etan. 1 2 12 11 II 7 8 9 13 I 4 5 6 10 3 H×nh VI.10. S¬ ®å NNT mét bËc ®Ó nhËn C ≥3 III cã chu tr×nh lµm l¹nh tæ hîp 1,3. Çc thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt b»ng kh«ng khÝ; 2. M¸y nÐn; 4,6,7,9. Çc bé phËn trao ®æi nhiÖt; 5,8. Bé phËn bay h¬i propan; 10. Van tiÕt l−u; 11. Th¸p t¸ch nhiÖt ®é thÊp; 12. Th¸p t¸ch etan; 13. Bé phËn ®un nãng ®¸y th¸p; I. KhÝ nguyªn liÖu; II. KhÝ kh«; III. Ph©n ®o¹n hydrocacbon nÆng. VI.3.2. S¬ ®å NNT hai bËc ®Ó nhËn C ≥ 3 cã chu tr×nh lµm l¹nh tæ hîp (chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi b»ng propan vµ tiÕt l−u dßng láng) 148 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn S¬ ®å ®−îc m« t¶ trªn h×nh VI.11 lµ ®Ó t¸ch triÖt ®Ó propan. §Æc tr−ng cña s¬ ®å lµm l¹nh hai bËc lµ: ë bËc I lµm l¹nh khÝ do chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi b»ng propan, cßn ë bËc II lµm l¹nh do sù tiÕt l−u condensat tõ th¸p t¸ch cña bËc nµy vµ mét phÇn condensat tõ th¸p t¸ch cña bËc I. KhÝ ®ång hµnh ® ®−îc nÐn ®Õn ¸p suÊt 3,7 MPa ®−îc lµm l¹nh tiÕp trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt kh«ng khÝ 2 , thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 3 , 4 vµ bé phËn bèc h¬i propan 5 , nhiÖt ®é cña khÝ gi¶m ®Õn − 30 0 C vµ mét phÇn ®−îc ng−ng tô. HÖ hai pha võa t¹o thµnh ®−îc ph©n t¸ch trong th¸p t¸ch 6 . KhÝ t¸ch ra cña bËc I ®−îc lµm l¹nh tiÕp ®Õn − 64 0 C do nguån l¹nh cña khÝ kh« ®i ra tõ th¸p t¸ch 10 cña bËc II trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 7 , cßn condensat cña bËc II vµ mét phÇn condensat cña bËc I ®−îc tiÕt l−u trªn çc van tiÕt l−u 19 vµ 20 ®Õn ¸p suÊt 0,3 MPa, tiÕp tôc ®−îc lµm l¹nh trong çc thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 8 vµ 9 . Sau khi truyÒn l¹nh dßng láng ®−îc bèc h¬i khi tiÕt l−u, l¹i ®−îc nÐn b»ng m¸y nÐn 12 ®Õn ¸p suÊt 3,5 MPa vµ cïng víi mét phÇn condensat cßn l¹i tõ th¸p t¸ch 6 cña bËc I ®i vµo th¸p t¸ch etan 14 . Nh÷ng tÝnh to¸n çc chØ tiªu kinh tÕ kü thuËt cho thÊy r»ng s¬ ®å nµy thÝch hîp ®Ó chÕ biÕn khÝ cã hµm l−îng C ≥ 3 kho¶ng 300 g/m 3 khÝ. KhÝ chÕ biÕn cã thµnh phÇn nh− vËy sÏ kinh tÕ h¬n. ¦u ®iÓm cña s¬ ®å nµy lµ ®Ó nhËn ®−îc nhiÖt ®é thÊp chØ yªu cÇu mét t¸c nh©n l¹nh vµ trang thiÕt bÞ ®ßi hái Ýt h¬n. 15 II 1 2 I ∞ 3 7 5 16 9 14 17 18 4 6 8 10 9 19 ∞ 13 III 11 12 H×nh VI.11. S¬ ®å NNT hai bËc ®Ó nhËn C ≥3 cã chu tr×nh lµm l¹nh tæ hîp http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 149 1,12. Çc m¸y nÐn; 2,13. Çc thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt kh«ng khÝ; 3,4,7,8,9,11. Bé phËn trao ®æi nhiÖt; 5,15. Çc bé phËn bay h¬i propan; 6,10. Çc th¸p t¸ch nhiÖt ®é thÊp; 14. Th¸p t¸ch etan; 16. Håi l−u; 17. B¬m; 18. Bé phËn gia nhiÖt; 19,20. Bé phËn tiÕt l−u; I. KhÝ nguyªn liÖu; II. KhÝ kh«; III. Ph©n ®o¹n hydrocacbon nÆng. VI.3.3. S¬ ®å NNT hai bËc ®Ó nhËn C ≥ 3 cã chu tr×nh lµm l¹nh tæ hîp (chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi b»ng propan, tiÕt l−u dßng chÊt láng vµ tuabin gi·n në khÝ) Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y ë Mü cã khuynh h−íng øng dông çc thiÕt bÞ gi n në khÝ (detendre) khi chØ cÇn t¸ch C ≥ 3 . H×nh VI.12 ®−a ra s¬ ®å c«ng nghÖ chÕ biÕn khÝ ®ång hµnh cã hµm l−îng C ≥ 3 lµ 300 g/m 3 ®Ó t¸ch 90% C ≥ 3 . 6 II 8 7 12 13 1 I 2 3 14 4 16 11 17 5 10 15 9 H×nh VI.12. S¬ ®å ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp ®Ó nhËn C ≥3 III cã chu tr×nh lµm l¹nh tæ hîp 1,3,5. Bé phËn bay h¬i propan; 2,4,9,14. Bé phËn trao ®æi nhiÖt; 6,8. Trao ®æi nhiÖt kh«ng khÝ; 7,12. M¸y nÐn; 10,11. Th¸p t¸ch; 13. Tuabin gi·n në khÝ; 15. Bé phËn tiÕt l−u; 16. Th¸p t¸ch etan; 17. Bé phËn gia nhiÖt. I. KhÝ nguyªn liÖu; II. KhÝ kh«; III. Ph©n ®o¹n hydrocacbon nÆng. KhÝ nguyªn liÖu ®−îc nÐn ®Õn 4,0 MPa, sau khi ® lµm s¹ch khái CO 2 vµ sÊy b»ng chÊt hÊp phô r¾n, ®−îc ®−a vµo c«ng ®o¹n ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp. Mét phÇn khÝ ®i vµo çc thiÕt bÞ bay h¬i 1 , 3 , 5 vµ çc thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 150 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 2 , 4 , t¹i ®©y khÝ ®−îc lµm l¹nh ®Õn − 30 0 C, ®−îc trén lÉn víi mét phÇn khÝ ® ®−îc lµm l¹nh ®Õn cïng nhiÖt ®é ®ã b»ng condensat tõ th¸p t¸ch 10 . Condensat tõ th¸p t¸ch 10 ®−îc tiÕt l−u ®Õn ¸p suÊt 1,7 MPa vµ sau khi truyÒn l¹nh cã nhiÖt ®é 20 0 C ®−îc dÉn tíi th¸p t¸ch etan 16 . Tõ th¸p t¸ch 10 khÝ sau khi ®−îc lµm l¹nh bëi khÝ kh« ®i ra tõ ®Ønh th¸p t¸ch etan 16 ®¹t nhiÖt ®é − 51 0 C ®−îc dÉn vµo th¸p t¸ch nhiÖt ®é thÊp 11 , t¹i ®©y khÝ ®−îc t¸ch ra khái condensat vµ cã nhiÖt ®é − 51 0 C, ¸p suÊt 3,7 MPa ®i vµo tuabin 13 . Condensat tõ th¸p t¸ch nhiÖt ®é thÊp 11 ®−îc dÉn qua van tiÕt l−u 15 , ¸p suÊt cña khÝ gi¶m ®Õn 18 MPa vµ ®−a vµo th¸p t¸ch etan 16 . Trong tuabin gi n në khÝ 13 , ¸p suÊt gi¶m ®Õn 1,8 MPa, khi ®ã mét phÇn khÝ bÞ ng−ng tô, ®−îc lµm l¹nh ®Õn − 78 0 C. KhÝ cïng víi condensat tõ tuabin 13 ®−îc dÉn ®Õn phÇn trªn cña th¸p t¸ch etan 16 . Ph©n ®o¹n chøa çc hydrocacbon nÆng ® t¸ch etan tõ ®¸y th¸p t¸ch etan 16 cã nhiÖt ®é 69 0 C ®−îc dÉn ®i chÕ biÕn tiÕp. KhÝ kh« tõ th¸p t¸ch etan 16 sau khi truyÒn l¹nh ®−îc nÐn trong m¸y nÐn 12 ®Õn 2,0 MPa nhê cã n¨ng l−îng tõ tuabin 13 vµ tiÕp tôc ®−îc nÐn ®Õn ¸p suÊt 4,0 MPa nhê m¸y nÐn 7 . Nh− vËy trong s¬ ®å võa xÐt trªn, chu tr×nh gi n në khÝ ®−îc kÕt hîp víi chu tr×nh lµm l¹nh b»ng etan (hoÆc etylen). VI.3.4. S¬ ®å NNT ba bËc ®Ó nhËn C ≥ 2 cã chu tr×nh lµm l¹nh tæ hîp (chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi b»ng propan, tiÕt l−u dßng láng vµ tuabin gi·n në khÝ) Chóng ta xÐt s¬ ®å c«ng nghÖ cña nhµ m¸y Siligson (bang Texas cña Mü) bao gåm c«ng ®o¹n gi n në khÝ ®Ó t¸ch tõ 50 ®Õn 70% etan. C«ng suÊt cña nhµ m¸y tÝnh theo khÝ nguyªn liÖu lµ 9050 ... 6373 ngh×n m 3 /ngµy ®ªm (h×nh VI.13). Propan ®−îc t¸ch ra gÇn 90%. Trong 1 m 3 khÝ nguyªn liÖu chøa 140 cm3 etan, 103 cm 3 propan vµ hydrocacbon nÆng, kho¶ng 0,12 mol% CO 2 vµ N 2 . §iÓm ®Æc tr−ng cña nhµ m¸y lµ hoµn toµn kh«ng cã lµm l¹nh b»ng n−íc. DiÖn tÝch x©y dùng nhµ m¸y nhá h¬n hai lÇn so víi nhµ m¸y cã c«ng suÊt t−¬ng tù lµm viÖc theo s¬ ®å hÊp thô nhiÖt ®é thÊp. Dßng khÝ cã ¸p suÊt 5,9 MPa vµ nhiÖt ®é 36,7 0 C ®−îc ®−a vµo th¸p t¸chläc 1 , t¹i ®©y nã ®−îc t¸ch bá nh÷ng giät n−íc vµ hydrocacbon d¹ng láng. KhÝ sau khi läc ®−îc ®−a vµo th¸p hÊp phô 2 cã chøa chÊt hÊp phô r¾n, t¹i http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 151 ®©y khÝ ®−îc sÊy kh« n−íc ®Õn ®iÓm s−¬ng t = − 101,1 0 C ë ¸p suÊt ® cho cña khÝ nguyªn liÖu t¹i ®Çu vµo. KhÝ ® sÊy kh« n−íc ®−îc dÉn qua bé phËn gia nhiÖt 12 cña th¸p t¸ch metan 11 ®Ó lµm nãng phÇn ®¸y cña th¸p, sau khi ra khái bé phËn gia nhiÖt, khÝ cã nhiÖt ®é 18,3 0 C ®−îc lµm l¹nh tiÕp tôc trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 3 b»ng propan ®Õn nhiÖt ®é − 13,3 0 C. Sau ®ã khÝ ®−îc dÉn vµo th¸p t¸ch 4 , mét phÇn hydrocacbon ®−îc ng−ng tô vµ ®−îc dÉn ®Õn phÇn gi÷a cña th¸p t¸ch metan. KhÝ tõ th¸p t¸ch 4 ®i qua thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 5 vµ 6 , t¹i ®©y çc dßng khÝ kh« vµ khÝ nguyªn liÖu trao ®æi nhiÖt víi nhau. Tõ thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt, hçn hîp láng h¬i cã ¸p suÊt 5,84 MPa vµ nhiÖt ®é −62 0 C ®i vµo th¸p t¸ch ¸p suÊt cao 7. ChÊt láng tõ th¸p t¸ch 7 ®−îc bay h¬i ®¼ng ¸p trong thiÕt bÞ thæi giã 8 ë nhiÖt ®é −92,20C vµ ¸p suÊt 2,0 MPa, gÇn víi ¸p suÊt trong th¸p t¸ch metan 11. III 15 14 13 10 9 6 5 8 4 I 11 7 1 3 2 12 II H×nh VI.13. S¬ ®å c«ng nghÖ nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ ë Siligson (Mü) 1. Bé phËn t¸ch läc; 2. Th¸p hÊp phô; 3. Trao ®æi nhiÖt propan; 4,7,10. Bé phËn t¸ch; 5,6. Bé phËn trao ®æi nhiÖt; 8. Bé phËn thæi giã; 9. Tuabin gi·n në khÝ; 11. Th¸p t¸ch metan; 12. Bé phËn gia nhiÖt; 13,14. M¸y nÐn; 15. Trao ®æi nhiÖt kh«ng khÝ; I. KhÝ nguyªn liÖu; II. Ph©n ®o¹n çc hydrocacbon C ≥ 2 ; III. KhÝ kh«. 152 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn KhÝ tõ th¸p t¸ch 7 ®−îc dÉn vµo tuabin 9 , ë ®©y nã ®−îc gi n në ®¼ng ¸p ®¼ng entropi ®Õn ¸p suÊt kho¶ng 2,0 MPa. Khi ®ã nã ®−îc lµm l¹nh ®Õn 98 0 C. N¨ng l−îng gi n në khÝ ®−îc sö dông cho m¸y nÐn 13 ®Ó nÐn khÝ cßn l¹i. Hçn hîp khÝ láng tõ tuabin ®i vµo th¸p t¸ch ¸p suÊt thÊp 10 , tõ ®©y chÊt láng ®i vµo phÇn trªn cña th¸p t¸ch metan 11 . Th¸p t¸ch metan 11 lµm viÖc ë ¸p suÊt 1,9 MPa, nhiÖt ®é ®Ønh − 97 0 C, nhiÖt ®é ®¸y 16,7 0 C. §¸y th¸p t¸ch metan 11 ®−îc ®un nãng nhê nhiÖt cña khÝ nguyªn liÖu, khÝ tõ th¸p t¸ch 4 vµ tõ thiÕt bÞ thæi giã 8 . KhÝ tõ th¸p t¸ch metan 11 , th¸p t¸ch ¸p suÊt thÊp 10 vµ tõ thiÕt bÞ thæi giã 8 ®−îc hçn hîp víi nhau vµ t¹o thµnh mét dßng khÝ d−, sau khi ®−îc ®un nãng trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 5 vµ 6 ®Õn nhiÖt ®é − 17,8 0 C cã ¸p suÊt 1,8 MPa, ®−îc nÐn ®Õn ¸p suÊt cña khÝ th−¬ng phÈm b»ng hai m¸y nÐn: m¸y nÐn ly t©m 13 nèi víi tuabin gi n në khÝ vµ m¸y nÐn 14 nèi víi tuabin khÝ. Trong s¬ ®å ® xÐt ë trªn, c«ng ®o¹n gi n në khÝ ®−îc sö dông kÕt hîp víi chu tr×nh lµm l¹nh b»ng etan (hoÆc etylen). VI.3.5. So s¸nh s¬ ®å NNT ®Ó nhËn C≥ 3 cã chu tr×nh lµm l¹nh tæ hîp (chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi b»ng propan vµ tuabin gi·n në khÝ) Tuabin gi n në khÝ dïng thÝch hîp trong çc s¬ ®å chÕ biÕn khÝ trong vïng nhiÖt ®é thÊp tõ − 45 0 C ... − 75 0 C. Khi ®ã nÕu nh− hµm l−îng C ≥ 3 trong khÝ nguyªn liÖu v−ît qu¸ 70 ... 75 g/m 3 th× th«ng th−êng chØ lµm l¹nh b»ng tuabin gi n në khÝ th× kh«ng ®ñ t¸ch triÖt ®Ó mµ cÇn ph¶i cã lµm l¹nh bæ sung. Ph©n tÝch cho thÊy r»ng, vèn ®Çu t− ban ®Çu cho tÊt c¶ çc s¬ ®å ® xÐt ë trªn thùc tÕ lµ nh− nhau. Khi chÕ biÕn khÝ ®ång hµnh theo s¬ ®å NNT cã c«ng ®o¹n gi n në khÝ ®Ó nhËn s¶n phÈm C ≥ 3 , ¸p suÊt tr−íc thiÕt bÞ gi n në kh«ng cÇn thiÕt ph¶i lín h¬n 3,5 MPa, viÖc lùa chän ¸p suÊt thÝch hîp dùa trªn c¬ së nh÷ng gi¶i ph¸p kinh tÕ kü thuËt chi tiÕt. Nh÷ng nghiªn cøu tÝnh to¸n ® x¸c nhËn r»ng, víi viÖc gi¶m hµm l−îng C ≥ 3 trong khÝ ®ång hµnh, møc ®é t¸ch propan trªn thùc tÕ lµ nh− nhau do sù gi¶m nhiÖt ®é cña dßng khÝ trong qu¸ tr×nh gi n në (trong khi çc th«ng sè kh¸c kh«ng ®æi). §iÒu ®ã cã thÓ gi¶i thÝch nh− sau: §Ó ®¹t ®−îc møc ®é t¸ch nh− nhau çc cÊu tö ®Þnh tr−íc, nhiÖt ®é cÇn thiÕt ph¶i cao h¬n ®èi víi khÝ cã hµm l−îng C ≥ 3 cao h¬n. Khi gi n në khÝ ë cïng møc ®é th× ®é nÐn cña khÝ bÐo (cã C ≥ 3 lín) còng cao h¬n ®é nÐn cña khÝ gÇy. Nh− vËy nhiÖt ®é ng−ng tô tho¸t ra lín h¬n vµ nhiÖt ®é trong thiÕt bÞ gi n në khÝ còng t¨ng lªn. Khi gi n në http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 153 khÝ gÇy h¬n th× quan s¸t ®−îc h×nh ¶nh ng−îc l¹i. Nh− vËy x¶y ra qu¸ tr×nh tù ®éng ®iÒu chØnh nhiÖt ®é trong thiÕt bÞ gi n në khÝ phô thuéc vµo hµm l−îng C ≥ 3 trong khÝ nguyªn liÖu (hay cßn gäi lµ ®é bÐo cña khÝ), ®iÒu ®ã lµm cho viÖc t¸ch cÊu tö ®Þnh tr−íc trªn thùc tÕ ë møc ®é nh− nhau. Çc s¬ ®å chÕ biÕn khÝ kh¸c kh«ng cã kh¶ n¨ng tù ®iÒu chØnh ®Ó duy tr× møc ®é t¸ch nh− nhau khi thµnh phÇn khÝ vµo bÞ thay ®æi. Thùc thÕ mét s¬ ®å NNT bÊt kú kh¸c ®−îc tÝnh to¸n trªn nh÷ng th«ng sè nhÊt ®Þnh. NÕu nh− khÝ ®−a vµo chÕ biÕn gÇy h¬n th× ë cïng mét nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt, møc ®é t¸ch bÞ gi¶m ®i. Ng−îc l¹i, nÕu khÝ ®−a vµo chÕ biÕn bÐo h¬n th× møc ®é t¸ch t¨ng lªn. ViÖc øng dông c«ng ®o¹n gi n në khÝ lµm cho s¬ ®å c«ng nghÖ trë nªn dÔ ®iÒu khiÓn bëi v× çc th«ng sè cña qu¸ tr×nh sÏ tù ®iÒu chØnh vµ ®−îc duy tr× ë møc ®é cÇn thiÕt, ®¶m b¶o viÖc t¸ch çc cÊu tö ®Þnh tr−íc ®¹t ®−îc møc ®é yªu cÇu. §ã lµ −u ®iÓm cña s¬ ®å ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp cã c«ng ®o¹n gi n në khÝ. Tãm l¹i, trong ch−¬ng nµy ® xÐt çc s¬ ®å NNT kh¸c nhau, trong ®ã cã nh÷ng s¬ ®å hiÖn ®¹i nhÊt. § ®−a ra nh÷ng ®Æc tr−ng kinh tÕ kü thuËt vµ so s¸nh çc s¬ ®å, rót ra nh÷ng −u ®iÓm vµ nh−îc ®iÓm, ph¹m vi øng dông tõng s¬ ®å. MÆc dï vÒ h×nh thøc c«ng nghÖ rÊt ®a d¹ng, tÊt c¶ çc qu¸ tr×nh chÕ biÕn khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh b»ng ph−¬ng ph¸p ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp bao gåm nh÷ng c«ng ®o¹n c¬ b¶n gièng nhau. Nãi chung ®èi víi mét s¬ ®å NNT bÊt kú nhÊt thiÕt ph¶i bao gåm çc c«ng ®o¹n chÝnh sau: t¸ch khÝ ë ®Çu vµo khái çc giät láng vµ çc h¹t c¬ häc, nÐn khÝ, sÊy khÝ, çc kªnh trao ®æi nhiÖt t¸i sinh ®Ó tËn dông l¹nh vµ nhiÖt cña dßng khÝ vµ condensat, chu tr×nh lµm l¹nh, t¸ch − ph©n t¸ch pha, t¸ch metan vµ t¸ch etan (®èi víi s¬ ®å nhËn s¶n phÈm lµ C ≥ 2 ) hoÆc c«ng ®o¹n t¸ch etan cña condensat (®èi víi s¬ ®å nhËn s¶n phÈm lµ C ≥ 3 ). 154 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Ch−¬ng VII chÕ biÕn khÝ b»ng ph−¬ng ph¸p hÊp thô Qu¸ tr×nh hÊp thô vËt lý ®−îc sö dông trong c«ng nghÖ xö lý khÝ ®Ó lo¹i h¬i n−íc, CO 2 vµ H 2 S. Trong ch−¬ng V (phÇn II) ® ®Ò cËp ®Õn qu¸ tr×nh sÊy khÝ b»ng glycol vµ qu¸ tr×nh lµm ngät khÝ b»ng monoetanolamin. Trong ch−¬ng nµy sÏ nghiªn cøu qu¸ tr×nh chÕ biÕn khÝ b»ng ph−¬ng ph¸p hÊp thô. Ph−¬ng ph¸p hÊp thô t¸ch khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh dùa trªn c¬ së hai qu¸ tr×nh chuyÓn khèi c¬ b¶n: hÊp thô vµ nh¶ hÊp thô. B¶n chÊt vËt lý cña qu¸ tr×nh lµ sù c©n b»ng gi÷a dßng khÝ vµ láng do sù khuÕch t¸n chÊt tõ pha nµy sang pha kh¸c. Khi ®¹t c©n b»ng bÒn ®éng lùc, sù khuÕch t¸n ®−îc x¸c ®Þnh b»ng hiÖu sè ¸p suÊt riªng phÇn cña cÊu tö bÞ t¸ch ra trong pha khÝ vµ pha láng. NÕu ¸p suÊt riªng phÇn cña cÊu tö trong pha khÝ lín h¬n trong pha láng th× x¶y ra qu¸ tr×nh hÊp thô (hÊp thô khÝ bëi chÊt láng), vµ ng−îc l¹i, nÕu ¸p suÊt riªng phÇn cña cÊu tö bÞ t¸ch ra ë trong pha khÝ nhá h¬n trong pha láng th× x¶y ra qu¸ tr×nh nh¶ hÊp thô (tho¸t khÝ ra khái chÊt láng). §èi víi çc tÝnh to¸n thùc tÕ, ®éng lùc cña qu¸ tr×nh hÊp thô ®−îc biÓu thÞ chÝnh x¸c h¬n kh«ng chØ qua ¸p suÊt riªng phÇn mµ cßn qua nång ®é cña çc cÊu tö t−¬ng øng. T¹i çc nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ, qu¸ tr×nh hÊp thô vµ nh¶ hÊp thô ®−îc thùc hiÖn trong çc th¸p hÊp thô vµ çc th¸p ch−ng luyÖn cã cÊu t¹o kiÓu th¸p ®Üa hoÆc th¸p ®Öm, chÊt hÊp thô ®−îc dïng ë ®©y lµ çc ph©n ®o¹n benzin, keroxen hoÆc hçn hîp cña chóng. VII.1. S¬ ®å nguyªn lý c«ng nghÖ chÕ biÕn khÝ b»ng ph−¬ng ph¸p hÊp thô Ngoµi çc c«ng ®o¹n chung th−êng cã ë bÊt kú nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ nµo nh− c«ng ®o¹n t¸ch, nÐn vµ sÊy khÝ, s¬ ®å hÊp thô cßn cã thªm c«ng ®o¹n hÊp thô vµ nh¶ hÊp thô. T¹i c«ng ®o¹n hÊp thô çc cÊu tö t−¬ng øng (etan, propan...) ®−îc t¸ch ra khái khÝ. C«ng ®o¹n t¸ch etan hoÆc t¸ch metan khái chÊt hÊp thô ® b o hoµ. T¹i c«ng ®o¹n nh¶ hÊp thô, chÊt hÊp thô b o hßa ® ®−îc t¸ch metan hoÆc etan (tuú theo yªu cÇu ®Þnh tr−íc) sÏ ®−îc t¸ch tiÕp hçn hîp çc hydrocacbon nÆng (C ≥ 2 hoÆc C ≥ 3 ) vµ kh¶ n¨ng hÊp thô cña chÊt hÊp thô ®−îc t¸i sinh l¹i. Tuú theo thµnh phÇn cña nguyªn liÖu vµo http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 155 (thµnh phÇn cña khÝ ®−a vµo chÕ biÕn) mµ s¬ ®å c«ng nghÖ cã thÓ thªm çc c«ng ®o¹n lµm s¹ch khÝ khái çc hîp chÊt chøa oxy vµ l−u huúnh. Trong mét vµi tr−êng hîp cÇn thiÕt, s¬ ®å cã thÓ bao gåm c¶ c«ng ®o¹n nÐn khÝ. Ngoµi ra cßn cã c¶ s¬ ®å trong ®ã qu¸ tr×nh lµm s¹ch khÝ khái çc hîp chÊt chøa l−u huúnh vµ qu¸ tr×nh t¸ch çc hydrocacbon ® ®Þnh tr−íc (C ≥ 2 hoÆc C ≥ 3 ) cïng ®−îc thùc hiÖn trong mét c«ng ®o¹n hÊp thô. Nh− vËy tuú thuéc nh÷ng ®iÒu kiÖn cô thÓ mµ ¸p dông çc c«ng ®o¹n thÝch hîp cho nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ. Tuy nhiªn nguyªn t¾c x©y dùng s¬ ®å vµ ®Æc ®iÓm chøc n¨ng cña çc c«ng ®o¹n nãi chung lµ nh− nhau ®èi víi tÊt c¶ çc nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ. V VII 7 9 8 VI 2 6 3 1 5 10 I III IV 4 VII H×nh VII.1. S¬ ®å nguyªn lý thiÕt bÞ hÊp thô 1. Th¸p hÊp thô; 2. Th¸p hÊp thô - bèc h¬i; 3. Th¸p nh¶ hÊp thô; 4,5. ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt; 6,7. ThiÕt bÞ lµm m¸t b»ng kh«ng khÝ; 8. ThiÕt bÞ lµm l¹nh b»ng n−íc; 9. Håi l−u; 10. ThiÕt bÞ ®un s«i ®¸y th¸p; I. KhÝ nguyªn liÖu; II. KhÝ kh«; III. ChÊt hÊp thô b·o hßa; IV. ChÊt hÊp thô b·o hoµ ®· t¸ch etan; V. KhÝ kh«; VI. Çc hydrocacbon nÆng; VII. ChÊt hÊp thô t¸i sinh. Trªn h×nh VII.1 ®−a ra s¬ ®å nguyªn lý cña qu¸ tr×nh hÊp thô ®Ó t¸ch khÝ propan vµ çc hydrocacbon nÆng h¬n khái khÝ ®ång hµnh vµ khÝ tù nhiªn. Theo s¬ ®å trªn h×nh VII.1, khÝ nguyªn liÖu sau khi ®−îc lµm s¹ch khái çc giät láng vµ çc t¹p chÊt c¬ häc, ®−îc nÐn, sÊy ®Õn ®iÓm s−¬ng cÇn thiÕt, ®−îc ®−a vµo ®Üa cuèi cïng cña th¸p hÊp thô 1 (çc c«ng ®o¹n t¸ch, nÐn, sÊy kh«ng thÓ hiÖn trªn h×nh), chÊt hÊp thô ® ®−îc t¸i sinh ®−îc t−íi lªn ®Üa trªn cïng. Trong thiÕt bÞ nµy çc cÊu tö theo yªu cÇu ®Þnh tr−íc (C ≥ 3 ) ®−îc 156 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn t¸ch ra khái khÝ vµo, ngoµi ra cßn cã c¶ mét l−îng çc hydrocacbon nhÑ (metan vµ etan). KhÝ kh« tho¸t ra tõ ®Ønh th¸p hÊp thô 1, cßn chÊt hÊp thô b o hoµ hydrocacbon ®−îc tho¸t ra tõ ®¸y th¸p. KhÝ kh« ®−a ®i sö dông, cßn chÊt hÊp thô b o hoµ ®−îc ®−a vµo th¸p hÊp thô bèc h¬i 2 (c«ng ®o¹n t¸ch metan, t¸ch etan). Trong th¸p nµy çc hydrocacbon nhÑ metan vµ etan ®−îc tho¸t ra khái chÊt hÊp thô b o hoµ. §Ó gi¶m mÊt m¸t propan ®i theo hydrocacbon nhÑ tõ ®Ønh th¸p 2 vµ ®¶m b¶o t¸ch etan triÖt ®Ó h¬n khái chÊt hÊp thô b o hoµ, ng−êi ta t−íi chÊt hÊp thô ® t¸i sinh (® nh¶ hÊp thô) vµo ®Üa trªn cïng cña th¸p 2 cßn ®¸y th¸p th× ®−îc gia nhiÖt. KhÝ kh« ®−îc sö dông lµm nhiªn liÖu, cßn chÊt hÊp thô b o hoµ ® t¸ch etan ®−îc gia nhiÖt trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 4 vµ ®i vµo th¸p nh¶ hÊp thô 3. Tõ ®Ønh th¸p nh¶ hÊp thô 3 nhËn ®−îc hçn hîp propan vµ hydrocacbon nÆng. Ph©n ®o¹n çc hydrocacbon nÆng C ≥ 3 ®−îc ng−ng tô trong thiÕt bÞ lµm l¹nh b»ng kh«ng khÝ (hoÆc thiÕt bÞ lµm l¹nh b»ng n−íc) 7 vµ ®i vµo håi l−u 9, tõ ®ã mét phÇn hydrocacbon nÆng ® ng−ng tô quay trë vµo lµm giµu thªm cho ®Üa trªn cïng cña th¸p nh¶ hÊp thô 3, phÇn cßn l¹i ®−a sang th¸p ch−ng ph©n ®o¹n khÝ s¶n xuÊt tõng hydrocacbon riªng biÖt hoÆc ph©n ®o¹n khÝ ho¸ láng t−¬ng øng. NhiÖt cung cÊp cho phÇn d−íi cña th¸p nh¶ hÊp thô do sù tuÇn hoµn cña chÊt hÊp thô ch¶y tõ ®Üa cuèi sang thiÕt bÞ ®un s«i ®¸y th¸p 10. ChÊt hÊp thô ® t¸i sinh ®−îc dÉn ra tõ ®¸y th¸p nh¶ hÊp thô 3 vµ lµm nguéi trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 4 vµ 5 vµ trong çc thiÕt bÞ lµm l¹nh 6 vµ 8 sau ®ã ®i vµo th¸p hÊp thô 1 vµ th¸p hÊp thô-bèc h¬i 2. §Æc ®iÓm cña s¬ ®å nµy lµ khÝ nguyªn liÖu ë ®Çu vµo vµ chÊt hÊp thô ® t¸i sinh ®−îc lµm l¹nh trong çc thiÕt bÞ lµm l¹nh b»ng n−íc hoÆc thiÕt bÞ lµm l¹nh b»ng kh«ng khÝ ®Õn nhiÖt ®é 25 ... 350 C. Trong çc s¬ ®å hiÖn ®¹i, khÝ vµ chÊt hÊp thô ®−îc lµm l¹nh ®Õn nhiÖt ®é thÊp h¬n do sö dông çc chu tr×nh t−¬ng øng (®¼ng nhiÖt bay h¬i tèi thiÓu cña t¸c nh©n l¹nh khi chÕ biÕn khÝ ®ång hµnh cã thÓ tíi −30 ... − 40 0 C). ë Mü çc s¬ ®å hÊp thô cã lµm l¹nh b»ng n−íc (hoÆc kh«ng khÝ) ® ®−îc sö dông tõ nh÷ng n¨m 20 ... 40 cña thÕ kû tr−íc. ViÖc sö dông thiÕt bÞ lo¹i nµy cho phÐp ®¶m b¶o s¶n xuÊt mét l−îng cÇn thiÕt khÝ ho¸ láng vµ thiÕt lËp ®−îc nh÷ng ®iÒu kiÖn æn ®Þnh ®Ó vËn chuyÓn khÝ theo ®−êng èng dÉn khÝ (t¸ch etan vµ propan 40 ... 50%, t¸ch butan 85 ... 90%, benzin khÝ 95 ... 100%). Nh÷ng thiÕt bÞ lo¹i nµy trong c«ng nghÖ chÕ biÕn khÝ cã tªn gäi lµ thiÕt bÞ hÊp thô dÇu. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 157 T¹i çc nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ cña CHLB Nga, ¸p suÊt trong çc thiÕt bÞ hÊp thô kh«ng v−ît qu¸ 4 MPa, nhiÖt ®é trung b×nh 40 ... 50 0 C. ChÊt hÊp thô th−êng dïng lµ ph©n ®o¹n keroxen cã khèi l−îng ph©n tö 120 ... 240 (viÖc dïng ph©n ®o¹n nhÑ h¬n sÏ lµm t¨ng mÊt m¸t chÊt hÊp thô). Trong nh÷ng ®iÒu kiÖn nh− vËy t¸ch propan vµ çc hydrocacbon nÆng ®¹t ®−îc khi l−u l−îng chÊt hÊp thô lín (2 ... 4 kg/m3 khÝ nguyªn liÖu) vµ tiªu tèn nhiÖt n¨ng lín. T¨ng ¸p suÊt vµ t¨ng thêi gian tuÇn hoµn chÊt hÊp thô trong thiÕt bÞ lo¹i nµy kh«ng lµm t¨ng hiÖu qu¶ t¸ch çc s¶n phÈm cÇn thiÕt. Ng−êi ta ® tÝnh to¸n sè ®Üa thùc tÕ trong th¸p hÊp thô kh«ng qu¸ 30 ®Üa. Khi thiÕt kÕ thiÕt bÞ hÊp thô dÇu lo¹i nµy, ng−êi ta ® chÊp nhËn çc th«ng sè lµm viÖc cña th¸p hÊp thô-bèc h¬i (th¸p 2 trªn s¬ ®å ë h×nh VII.1): ¸p suÊt 1,2 ... 2 MPa, nhiÖt ®é hçn hîp vµo th¸p 40 ... 70 0 C, cßn nhiÖt ®é ®¸y th¸p 190 ... 200 0 C, sè ®Üa thùc tÕ trong th¸p kh«ng qu¸ 40 ®Üa (bao gåm 20 ®Üa cho phÇn hÊp thô vµ 20 ®Üa cho phÇn bay h¬i). ChÕ ®é c«ng nghÖ cña th¸p nh¶ hÊp thô ®−îc x¸c ®Þnh xuÊt ph¸t tõ çc ®iÒu kiÖn ng−ng tô s¶n phÈm ë ®Ønh th¸p b»ng n−íc, ®¶m b¶o hµm l−îng tèi thiÓu cña çc hydrocacbon t¸ch ra tõ khÝ trong chÊt hÊp thô ® ®−îc t¸i sinh: ¸p suÊt trong håi l−u kh«ng v−ît qu¸ 0,7 ... 1,4 MPa, nhiÖt ®é ®Ønh th¸p 40 ... 50 0 C, nhiÖt ®é ®¸y th¸p kh«ng cao qu¸ 280 ... 310 0 C. Sè ®Üa thùc tÕ cña th¸p kh«ng v−ît qu¸ 20 ... 40 ®Üa. Do nhu cÇu tiªu thô çc s¶n phÈm (etan vµ çc khÝ ho¸ láng) ngµy cµng t¨ng, çc s¬ ®å thiÕt bÞ hÊp thô dÇu ® ®−îc hoµn thiÖn. Vµo nh÷ng n¨m 50...60 cña thÕ kû tr−íc ® phæ biÕn réng r i s¬ ®å hÊp thô nhiÖt ®é thÊp (HNT), trong ®ã cïng víi çc thiÕt bÞ lµm l¹nh b»ng n−íc (hoÆc kh«ng khÝ) cßn cã chu tr×nh lµm l¹nh nh− trong çc s¬ ®å ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp. S¬ ®å c«ng nghÖ HNT bao gåm hai phÇn: c«ng ®o¹n t¸ch benzin cña khÝ nguyªn liÖu (lµ c«ng ®o¹n NNT) vµ c«ng ®o¹n HNT, ë ®©y tiÕp tôc x¶y ra qu¸ tr×nh t¸ch hydrocacbon cña khÝ ® qua c«ng ®o¹n NNT. Do ®ã mµ s¬ ®å HNT cã thÓ øng dông ®Ó t¸ch etan vµ çc hydrocacbon nÆng tõ khÝ nguyªn liÖu ban ®Çu cã thµnh phÇn kh¸c nhau. S¬ ®å HNT ®¶m b¶o t¸ch triÖt ®Ó propan tõ khÝ ®ång hµnh víi møc ®é lµm l¹nh võa ph¶i: ®Ó t¸ch 90 ... 95% propan yªu cÇu lµm l¹nh tíi −30 ... −380C trªn s¬ ®å HNT, cßn trªn s¬ ®å NNT ®ßi hái lµm l¹nh s©u h¬n −80 ... −85 0 C. Trªn çc thiÕt bÞ HNT ng−êi ta sö dông çc chÊt hÊp thô nhÑ (khèi l−îng ph©n tö 80 ... 140), l−u l−îng kh«ng qu¸ 1 ®Õn 1,5 l/m3 khÝ. 158 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ë Mü vµ Cana®a, trªn çc thiÕt bÞ HNT ng−êi ta ® t¸ch ®−îc 40 ... 50% etan tõ khÝ ®ång hµnh vµ khÝ tù nhiªn víi nhiÖt ®é dßng vµo th¸p hÊp thô −40 ... −50 0 C, ¸p suÊt 6 ... 7 MPa). ë Céng hoµ Liªn bang Nga, tõ khÝ ®ång hµnh cã hµm l−îng C ≥ 3 tõ 300 ... 600 g/m 3 t¸ch ®−îc 40 ... 50% etan vµ 90 ... 95% propan vµ çc hydrocacbon nÆng víi çc th«ng sè nhiÖt ®é −30 ... −38 0 C, ¸p suÊt 3,0 ... 3,9 MPa. Trong çc thiÕt bÞ HNT, qu¸ tr×nh t¸ch çc hydrocacbon theo yªu cÇu Ýt phô thuéc vµo sù ph©n bè vµ sù thay ®æi thµnh phÇn cña nguyªn liÖu khÝ ë ®Çu vµo. ¦u ®iÓm ®ã cña s¬ ®å HNT cã ý nghÜa rÊt quan träng, bëi v× tuú theo møc ®é chÕ biÕn s¬ bé t¹i má dÇu mµ thµnh phÇn cña khÝ ®ång hµnh ®−a ®Õn nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ cã thÓ rÊt kh¸c nhau, ®iÒu ®ã cã thÓ dÉn ®Õn khã kh¨n cho qu¸ tr×nh s¶n xuÊt çc s¶n phÈm khÝ yªu cÇu trong ®ã cã etan. Trong thiÕt bÞ NNT, viÖc gi¶m hµm l−îng propan vµ hydrocacbon nÆng trong khÝ lµm gi¶m sù t¸ch etan ngay c¶ khi hµm l−îng etan trong nguyªn liÖu ®Çu kh«ng ®æi. Ban ®Çu qu¸ tr×nh HNT chØ ®¬n gi¶n lµ qu¸ tr×nh hÊp thô ë nhiÖt ®é thÊp, sau ®ã hµng lo¹t çc gi¶i ph¸p c«ng nghÖ nh»m hoµn thiÖn s¬ ®å c«ng nghÖ còng nh− c¬ cÊu cña çc c«ng ®o¹n c¬ b¶n ® ®−îc thùc hiÖn, cho phÐp t¨ng ®¸ng kÓ çc chØ tiªu kinh tÕ kü thuËt cña qu¸ tr×nh hÊp thô nhiÖt ®é thÊp. VII.2. Çc th«ng sè c«ng nghÖ cña qu¸ tr×nh chÕ biÕn khÝ b»ng ph−¬ng ph¸p hÊp thô nhiÖt ®é thÊp Çc th«ng sè c«ng nghÖ ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh c«ng nghÖ lµ ¸p suÊt, nhiÖt ®é, thµnh phÇn hçn hîp khÝ nguyªn liÖu, thµnh phÇn vµ tÝnh chÊt ho¸ lý cña chÊt hÊp thô, sè ®Üa lý thuyÕt vµ cÊu t¹o cña th¸p hÊp thô, th¸p nh¶ hÊp thô. VII.2.1. Qu¸ tr×nh hÊp thô Qu¸ tr×nh hÊp thô x¶y ra trong th¸p hÊp thô nhiÖt ®é thÊp (−30 ... −40 C), vµ ¸p suÊt trong th¸p 3 ... 7 MPa tuú thuéc vµo thµnh phÇn khÝ ®−a vµo chÕ biÕn, khÝ cã hµm l−îng C≥ 3 cao (khÝ bÐo) cÇn ¸p suÊt cao. 0 Qu¸ tr×nh hÊp thô çc hydrocacbon trong hçn hîp khÝ ®−a vµo chÕ biÕn kÌm theo sù to¶ nhiÖt. HiÖu øng nhiÖt phô thuéc vµo thµnh phÇn hçn hîp khÝ, hydrocacbon cµng nhÑ nhiÖt hÊp thô to¶ ra sÏ cµng lín. Trªn h×nh VII.2 m« t¶ sù thay ®æi hµm l−îng çc chÊt hÊp thô trong dÇu (a) vµ sù thay ®æi nhiÖt ®é dßng khÝ vµ dßng dÇu theo chiÒu cao th¸p hÊp thô (b). http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 159 II III 1 1 2 2 C3 C5 4 3 C4 Sè thø tù cña ®Üa Sè thø tù cña ®Üa 3 5 6 7 1 6 2 7 8 9 9 10 0 IV 5 8 10 I 4 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 x, mol/mol chÊt hÊp thô a) 15 20 25 30 0 NhiÖt ®é, C b) H×nh VII.2. Çc thay ®æi trong th¸p hÊp thô a) Thay ®æi hµm l−îng çc cÊu tö trong chÊt hÊp thô theo chiÒu cao th¸p hÊp thô: I. KhÝ nguyªn liÖu; II. KhÝ kh«; III. ChÊt hÊp thô t¸i sinh; IV. ChÊt hÊp thô b·o hoµ. b) Thay ®æi nhiÖt ®é theo chiÒu cao th¸p hÊp thô: 1. KhÝ; 2. ChÊt hÊp thô. §Ó t¨ng hiÖu qu¶ cña qu¸ tr×nh cÇn ®¶m b¶o c©n b»ng nhiÖt tèi −u trong th¸p vµ çc nhµ nghiªn cøu ® ®−a ra çc ph−¬ng ¸n c«ng nghÖ: gi¶i nhiÖt theo chiÒu cao th¸p, b o hoµ s¬ bé chÊt hÊp thô t¸i sinh (dÇu t¸i sinh) b»ng çc cÊu tö nhÑ, ... Ng−êi ta ® ®−a ra ba ph−¬ng ¸n b o hoµ s¬ bé dÇu t¸i sinh b»ng çc cÊu tö nhÑ tr−íc khi t−íi vµo th¸p hÊp thô vµ th¸p hÊp thô - bèc h¬i. • Ph−¬ng ¸n 1 (h×nh VII.3a) DÇu t¸i sinh ®−îc trén lÉn víi khÝ khi ®i ra tõ ®Ønh th¸p hÊp thô - bèc h¬i, sau khi lµm l¹nh nhê chu tr×nh l¹nh propan ®−îc b o hoµ s¬ bé hydrocacbon nhÑ. DÇu ® b o hoµ ®−îc t−íi vµo th¸p hÊp thô vµ hÊp thô - bèc h¬i. • Ph−¬ng ¸n 2 (h×nh VII.3b) DÇu t¸i sinh t−íi vµo th¸p hÊp thô - bèc h¬i s¬ bé hydrocacbon nhÑ tõ ®Ønh th¸p hÊp thô bèc h¬i. Sau khi trén víi dßng khÝ kh« tõ ®Ønh th¸p hÊp 160 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn thô vµ ®−îc lµm l¹nh, dÇu t¸i sinh ® b o hoµ hydrocacbon nhÑ hai lÇn sÏ t−íi vµo th¸p hÊp thô. • Ph−¬ng ¸n 3 (h×nh VII.3c) DÇu t¸i sinh t−íi vµo th¸p hÊp thô vµ th¸p hÊp thô - bèc h¬i ®−îc b o hoµ hydrocacbon nhÑ tõ ®Ønh th¸p t−¬ng øng, cã nghÜa lµ t−íi vµo th¸p nµo sÏ b o hoµ s¬ bé hydrocacbon nhÑ tõ ®Ønh th¸p ®ã. VI II II 6 III 7 V VI VI II 5 5 C3 IV V 8 VI 6 I C3 VI 4 3 4 3 C3 1 VII I 1 VII 9 VIII 2 a) II 5 8 H×nh VII.3. Çc ph−¬ng ¸n b·o hoµ s¬ bé chÊt hÊp thô t¸i sinh b»ng çc cÊu tö nhÑ tr−íc khi t−íi vµo th¸p hÊp thô vµ th¸p hÊp thô - bèc h¬i VII 1,5,7. Chu tr×nh l¹nh propan; 2, 6, 8. ThiÕt bÞ ph©n ly; 3. Th¸p hÊp thô; 4. Th¸p t¸ch etan; 9. ThiÕt bÞ gia nhiÖt; IV II V 6 3 C3 I 9 b) VI 7 VIII 2 4 1 9 VIII 2 c) I. KhÝ nguyªn liÖu; II. KhÝ kh« sau khi b·o hoµ s¬ bé chÊt hÊp thô t¸i sinh; III, IV, V. KhÝ kh«; VI. ChÊt hÊp thô t¸i sinh; VII. ChÊt t¶i nhiÖt; VIII. ChÊt hÊp thô b·o hoµ ®· t¸ch etan. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 161 Nh− vËy nhê ph−¬ng ph¸p b o hoµ chÊt hÊp thô t¸i sinh b»ng çc hydrocacbon nhÑ ë bªn ngoµi th¸p hÊp thô, cho phÐp gi¶i quyÕt vÊn ®Ò nhiÖt hÊp thô çc cÊu tö nhÑ mét çch ®¬n gi¶n, b¶o ®¶m chÕ ®é c«ng nghÖ tèi −u trong th¸p, t¨ng møc ®é hÊp thô çc cÊu tö cÇn thiÕt trong th¸p. VII.2.2. Qu¸ tr×nh t¸i sinh Qu¸ tr×nh t¸i sinh l¹i chÊt hÊp thô, ë ®©y lµ çc ph©n ®o¹n dÇu benzin hoÆc keroxen, ®−îc thùc hiÖn b»ng çch gi¶m ¸p suÊt trong th¸p vµ cÊp nhiÖt vµo th¸p ®Ó t¸ch çc hydrocacbon nhÑ trong chÊt hÊp thô b o hoµ. Trªn h×nh VII.4 tr×nh bµy çc ph−¬ng ¸n tuÇn hoµn dÇu t¸i sinh tõ ®¸y th¸p vµ thiÕt bÞ ®un s«i (reboiler). ThiÕt bÞ ®un nãng ®¸y th¸p kiÓu Kettle dÔ ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh, t−¬ng ®−¬ng víi mét ®Üa lý thuyÕt. 1 1 1 I I 3 a) 2 2 2 3 I b) 3 c) H×nh VII.4. ThiÕt bÞ ®un nãng ®¸y th¸p a. KiÓu th¼ng ®øng; b. KiÓu n»m ngang; c. KiÓu Kettle. VII.3. Çc ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n tÝnh to¸n qu¸ tr×nh hÊp thô Trong th¸p hÊp thô, çc ®Üa ®−îc ®¸nh sè tõ trªn xuèng d−íi. §Üa d−íi cïng lµ ®Üa N, dÇu t¸i sinh t−íi vµo tõ ®Üa 1 xuèng, cßn khÝ bÐo vµo tõ ®¸y th¸p ®i lªn trªn. Çc dßng vËt chÊt trong th¸p ®−îc m« t¶ trªn h×nh VII.5. trong ®ã: L o lµ sè mol dÇu t¸i sinh t−íi vµo th¸p; V N+1 lµ sè mol khÝ nguyªn liÖu (khÝ bÐo) ®i vµo th¸p; Y 1 lµ sè mol cÊu tö nµo ®ã trong khÝ kh« rêi khái th¸p trªn tæng sè mol khÝ bÐo ®i vµo th¸p; YN+1 lµ sè mol cÊu tö nµo ®ã trong khÝ bÐo vµo th¸p trªn tæng sè mol khÝ 162 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn bÐo vµo th¸p (còng chÝnh lµ phÇn mol cña cÊu tö ®ã trong dßng khÝ bÐo vµo th¸p); X 0 lµ sè mol cña cÊu tö nµo ®ã trong dßng dÇu t¸i sinh t−íi vµo th¸p trªn tæng sè mol dÇu t¸i sinh (phÇn mol cÊu tö ®ã trong dÇu t¸i sinh); X N lµ sè mol cña cÊu tö nµo ®ã trong dßng dÇu b o hoµ ra khái ®¸y th¸p hÊp thô trªn sè mol cña dÇu t¸i sinh t−íi vµo th¸p; Y 0 lµ sè mol cña cÊu tö nµo ®ã trong pha h¬i n»m c©n b»ng víi dÇu t¸i sinh t−íi vµo th¸p, trªn sè mol khÝ bÐo ®i vµo th¸p. VN+1 Y L0 X0 1 VN+1 Y2 2 N−1 H»ng sè c©n b»ng pha ë ®Üa lý thuyÕt thø n nµo ®ã (1 ≤ n ≤ N) cã thÓ biÓu diÔn b»ng ®¼ng thøc sau: ⎡V Y ⎤ ⎡ L ⎤ y K n = n = ⎢ N +1 n ⎥ ⋅ ⎢ n ⎥ x n ⎣ Vn ⎦ ⎣ L0 X n ⎦ L0 XN−1 VN+1 YN+1 N (VII.1) NÕu ®Üa ( n − 1) vµ ( n + 1) lµ çc ®Üa ë phÝa trªn vµ phÝa d−íi ®Üa thø n th× ®èi víi cÊu tö nµo ®ã sÏ cã c©n b»ng sau: L0 Y −Y Y − Yn +1 = n +1 1 = n VN +1 X n − X 0 X n −1 − X n L0 X1 L0 XN H×nh VII.5. S¬ ®å vµ ký hiÖu çc dßng vËt chÊt trong th¸p hÊp thô dÇu (VII.2) Kremcer vµ Brown ® ®−a ra ®Þnh nghÜa vÒ th«ng sè hÊp thô trung b×nh: L0 L A= = (VII.3) K.V K.VN +1 Tû sè mol L o / V N+1 lµ h»ng sè ®èi víi mçi bµi to¸n cô thÓ ë ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt lµm viÖc trung b×nh cña th¸p hÊp thô. NÕu dÇu ®−îc t¸i sinh hoµn toµn, Y 0 sÏ nhËn gi¸ trÞ b»ng 0. Khi ®ã hÖ sè t¸ch cÊu tö nµo ®ã tõ hçn hîp khÝ bÐo E a ®−îc biÓu diÔn b»ng biÓu thøc Kremcer - Brown: Yn +1 − Y1 A n +1 − A = n +1 = Ea Yn +1 − Y0 A −1 (VII.4) Gi¶n ®å Kremcer (h×nh VII.6) biÓu diÔn biÓu thøc (VII.4): trôc tung biÓu diÔn hÖ sè t¸ch E a , trôc hoµnh biÓu diÔn th«ng sè hÊp thô A (hoÆc th«ng sè nh¶ hÊp thô S), çc ch÷ sè trªn çc ®−êng cong chØ sè ®Üa lý thuyÕt n. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 163 164 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 20 1.00 0.95 0.95 0.90 0.90 0.85 0.85 0,80 0,80 0.75 0.75 0.70 0.70 0.65 0.65 0.60 0.60 0,55 0,55 0.50 0.50 0.45 0.45 S m+1 −1 T −1 A n+1 HÖ sè E a = A n+1 − A ; E = s S m+1 − ST T 1.00 0.40 0.40 0.35 0.35 0,30 0,30 0.25 0.25 0.20 http://www.ebook.edu.vn 0.15 Sè ®Üa lý thuyÕt n 0.20 0.15 0.10 0.10 Th«ng sè hÊp thô A (hoÆc th«ng sè nh¶ hÊp thô S) 0,05 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 H×nh VII.6. Gi¶n ®å Kremcer Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 20 VÝ dô VII.1 ThiÕt bÞ hÊp thô dÇu dïng ®Ó t¸ch 75% propan tõ 100 mol khÝ cã thµnh phÇn cho trong b¶ng. Th¸p hÊp thô cã 6 ®Üa lý thuyÕt. Tèc ®é dßng dÇu t−íi vµo th¸p hÊp thô lµ bao nhiªu nÕu nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt trung b×nh trong th¸p lµ 104 0 F vµ 1000 psi? DÇu t¸i sinh tuÇn hoµn. X¸c ®Þnh thµnh phÇn khÝ kh« ra khái ®Ønh th¸p hÊp thô. Tr×nh tù tÝnh to¸n nh− sau: Thµnh phÇn phÇn tr¨m mol çc cÊu tö trong hçn hîp khÝ nguyªn liÖu cho trong cét 2. H»ng sè c©n b»ng pha K cña çc cÊu tö ®−îc x¸c ®Þnh tõ çc ®å thÞ cña J. Campbell (phô lôc 1) øng víi nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt trung b×nh trong th¸p ®−îc ®−a ra trong cét 3. Tõ gi¶n ®å Kremcer (h×nh VII.6), øng víi E a = 0,75; n = 6 cã A = 0,80. ¸ p dông biÓu thøc (VII.3) tÝnh l−u l−îng dßng dÇu t¸i sinh vµo th¸p: L 0 = A.K.V N+1 = 0,8 × 0,37 × 100 = 29,6 mol/h (tÝnh cho 100 mol hçn hîp khÝ) ¸ p dông biÓu thøc (VII.3), gi¸ trÞ L 0 ® tÝnh ®−îc vµ gi¸ trÞ K cña çc cÊu tö ® cã ®Ó x¸c ®Þnh gi¸ trÞ A cña çc cÊu tö ®ã: VÝ dô ®èi víi metan: A= 29,6 = 0,091 3,25 × 100 TÝnh t−¬ng tù víi çc cÊu tö cßn l¹i. Çc gi¸ trÞ tÝnh ®−îc ghi trong cét 4 cña b¶ng VII.1. Tõ çc gi¸ trÞ A ® tÝnh ®−îc vµ sè ®Üa lý thuyÕt n = 6, b»ng gi¶n ®å Kremcer x¸c ®Þnh ®−îc gi¸ trÞ E a víi çc cÊu tö cßn l¹i. Çc gi¸ trÞ E a nhËn ®−îc ghi trong cét 5. ¸p dông biÓu thøc Kremcer - Brown (VII.4) ®Ó tÝnh çc gi¸ trÞ Y 1 cña khÝ kh« ra khái ®Ønh th¸p hÊp thô. VÝ dô ®èi víi metan: Yn +1 − Y1 90,6 − Y1 = = 0,091 Yn +1 − Y0 90,6 − 0 Y 1 = 82,36. CÇn l−u ý, trong bµi to¸n nµy cho biÕt dÇu t¸i sinh hoµn toµn, nghÜa lµ http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 165 Y 0 = 0, ®iÒu ®ã kh«ng ¸p dông víi çc tr−êng hîp kh¸c. T−¬ng tù tÝnh to¸n sè mol cña çc cÊu tö cßn l¹i, kÕt qu¶ ghi vµo cét 6. TÝnh sè mol cña mçi cÊu tö trong dÇu b o hoµ. VÝ dô sè mol metan: X N = Y n+1 − Y 1 + Y 0 = 90,6 − 82,36 + 0 = 8,24 T−¬ng tù víi çc cÊu tö cßn l¹i, kÕt qu¶ ghi vµo cét 7. ViÖc sö dông th«ng sè hÊp thô trung b×nh A ® bá qua sù thay ®æi thÓ tÝch hçn hîp khÝ tõ ®Çu vµo ®Õn ®Çu ra. Tuy nhiªn, nh÷ng gi¶ thiÕt vÒ nhiÖt ®é trung b×nh vµ çc gi¸ trÞ h»ng sè c©n b»ng cã thÓ dÉn ®Õn nh÷ng sai sè ®¸ng kÓ trong qu¸ tr×nh tÝnh to¸n. Khi tÝnh to¸n qu¸ tr×nh t¸i sinh, ng−îc víi qu¸ tr×nh hÊp thô, çc ®Üa trong th¸p t¸i sinh ®−îc ®¸nh sè thø tù tõ d−íi ®¸y th¸p lªn ®Ønh th¸p. Th«ng sè nh¶ hÊp thô ®−îc ®Þnh nghÜa nh− sau: ST = K.V L khi ®ã hÖ sè t¸i sinh: Ym +1 − Y1 S Tm +1 − S T = Es = m +1 X m +1 − Y0 ST − 1 B¶ng VII.1. CÊu tö Y N+1 K A Ea Y1 XN 1 2 3 4 5 6 7 C1 90,6 3,25 0,091 0,091 82,38 8,24 C2 4,3 0,90 0,329 0,329 2,89 1,41 C3 3,2 0,37 0,80 0,75 0,80 2,40 izo-C 4 0,5 0,21 1,41 0,96 0,02 0,48 n-C 4 1,0 0,17 1,74 0,985 0,015 0,985 C6 0,4 0,035 8,46 1,00 0,00 0,40 86,085 13,915 100,0 VII.4. S¬ ®å c«ng nghÖ hÊp thô nhiÖt ®é thÊp hiÖn ®¹i Trong phÇn nµy sÏ xem xÐt çc s¬ ®å ®iÓn h×nh HNT sö dông ë çc nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ ®Ó t¸ch çc hydrocacbon tõ khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh. 166 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Trªn h×nh VII.7 lµ s¬ ®å c«ng nghÖ HNT cña nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ ®Ó t¸ch propan vµ çc hydrocacbon nÆng tõ khÝ tù nhiªn t¹i thµnh phè Cotrein Cana®a. C«ng suÊt cña nhµ m¸y theo khÝ nguyªn liÖu lµ 8,57 tû m 3 /n¨m. T¸ch ®−îc 84% propan chøa trong nguyªn liÖu ®Çu. ThiÕt bÞ sö dông hai chÊt hÊp thô: chÊt hÊp thô nhÑ cã khèi l−îng ph©n tö trung b×nh 100, chÊt hÊp thô nÆng cã khèi l−îng ph©n tö trung b×nh 140. KhÝ tù nhiªn cã ¸p suÊt 5,9 MPa ®−îc lµm l¹nh trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 1 vµ thiÕt bÞ bay h¬i propan 3 tõ nhiÖt ®é 18 0 C ®Õn nhiÖt ®é −37 0 C, do ®ã mét phÇn khÝ ®−îc ng−ng tô. KhÝ nguyªn liÖu tr−íc khi vµo thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 1 ® ®−îc bæ sung dung dÞch etylen glycol ®Ó hÊp thô t¸ch n−íc cã trong khÝ. Hçn hîp khÝ tõ th¸p 3 cã chøa etylen glycol ® hÊp thô n−íc vµ çc hydrocacbon ® ng−ng tô (gäi lµ condensat) ®−îc ®−a vµo th¸p t¸ch 6. Sau khi ra khái th¸p t¸ch etylen glycol ® hÊp thô n−íc ®−îc ®−a sang th¸p t¸i sinh (kh«ng thÓ hiÖn trong s¬ ®å), condensat ®−îc ®−a vµo th¸p hÊp thôbèc h¬i 12, cßn khÝ ®−îc chia lµm hai dßng: mét dßng ®i qua thiÕt bÞ bay h¬i propan 4 vµ th¸p t¸ch 5 vµo ®Ønh th¸p hÊp thô 7 cïng víi chÊt hÊp thô ® ®−îc t¸i sinh, mét dßng kh¸c ®i vµo phÇn d−íi cña th¸p hÊp thô 7. Th¸p hÊp thô 7 cã hai phÇn hÊp thô ®éc lËp A vµ B: phÇn A lµ phÇn d−íi cña th¸p cã nhiÖt ®é −37 0 C, chÊt hÊp thô nhÑ (cã khèi l−îng ph©n tö 100) ®−îc ®−a vµo ®©y ®Ó t¸ch khái khÝ çc cÊu tö cÇn thiÕt, phÇn trªn cña th¸p lµ phÇn B ®−îc t−íi chÊt hÊp thô nÆng (cã khèi l−îng ph©n tö 140) ®Ó hÊp thô chÊt hÊp thô nhÑ tõ phÇn A cña th¸p (chÊt hÊp thô nÆng ®i vµo th¸p cã nhiÖt ®é cao h¬n, qu¸ tr×nh t¸i sinh chÊt hÊp thô kh«ng ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh). PhÇn d−íi cña th¸p hÊp thô ®−îc cung cÊp nhiÖt do sù tuÇn hoµn cña chÊt hÊp thô b o hoµ qua thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 8, t¹i ®©y t¸c nh©n chuyÓn t¶i nhiÖt chÝnh lµ chÊt hÊp thô võa t¸i sinh cã nhiÖt ®é cao. Do ®ã hµm l−îng hydrocacbon nhÑ cã trong khÝ nguyªn liÖu vµo ®−îc gi¶m ®i tr−íc khi vµo th¸p hÊp thô-t¸ch khÝ 12. KhÝ kh« ®i ra tõ ®Ønh th¸p hÊp thô 7 ®−îc trén víi khÝ tõ th¸p t¸ch 6, vµ cïng víi chÊt hÊp thô nhÑ ® t¸i sinh ®i vµo thiÕt bÞ bay h¬i propan 4, t¹i ®©y do sù trao ®æi chÊt vµ trao ®æi nhiÖt (lµm l¹nh) cña dßng khÝ vµ dßng láng, chÊt hÊp thô nhÑ ®−îc b o hoµ çc hydrocacbon nhÑ. Tõ thiÕt bÞ bay h¬i 4 hçn hîp khÝ kh« vµ chÊt hÊp thô ®−îc ph©n t¸ch trong th¸p t¸ch 5. KhÝ kh« tõ th¸p t¸ch ®−îc ®−a ®i sö dông sau khi ® truyÒn l¹i l¹nh trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 1 vµ 2, cßn chÊt hÊp thô t¸i sinh ® b o hoµ hydrocacbon nhÑ ®−îc ®−a vµo ®Üa trªn cña phÇn B (phÇn trªn) cña th¸p hÊp thô 7. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 167 168 VI IV 16 V B 17 XIII VII VI 9 12 XV 4 7 18 10 5 13 XII A III 11 14 II XI VI I 1 3 8 6 X VIII IV 2 19 XI 15 X XVI XIV XVI H×nh VII.7. S¬ ®å c«ng nghÖ HNT cña nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ t¹i thµnh phè Cotrein - Cana®a 1,2,8,13,14,15. ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt; 5,6,11. Çc th¸p t¸ch; 3,4,10. ThiÕt bÞ bay h¬i propan; 7. Th¸p hÊp thô; 9. ThiÕt bÞ http://www.ebook.edu.vn gia nhiÖt; 12. Th¸p hÊp thô-bèc h¬i; 16. ThiÕt bÞ lµm l¹nh b»ng kh«ng khÝ; 17. Håi l−u; 18. Th¸p nh¶ hÊp thô; 19. Lß; I. KhÝ nguyªn liÖu; II. Dung dÞch etylen glycol; III. KhÝ kh« cña th¸p hÊp thô bèc h¬i sau c«ng ®o¹n b·o hoµ chÊt hÊp thô t¸i sinh; IV. KhÝ kh« cña th¸p hÊp thô sau c«ng ®o¹n b·o hoµ chÊt hÊp thô t¸i sinh; V, XIII. KhÝ kh«; VI, XII. ChÊt hÊp thô nhÑ b·o hoµ hydrocacbon nhÑ; VII. ChÊt hÊp thô nÆng; VIII. ChÊt hÊp thô nhÑ b·o hoµ; IX. Etylen glycol tù do; X. Condensat; XI. KhÝ; XIV. ChÊt hÊp thô nhÑ ®· t¸ch etan; XV. Ph©n ®o¹n hydrocacbon nÆng C ≥ 3 ; XVI. ChÊt hÊp thô nhÑ ®· t¸i sinh. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Tõ ®¸y th¸p hÊp thô 7 nhËn ®−îc chÊt hÊp thô nhÑ (cã khèi l−îng ph©n tö trung b×nh 100), sÏ trén lÉn víi condensat tõ th¸p t¸ch 6, vµ ®−îc dÉn vµo phÇn gi÷a cña th¸p hÊp thô - bèc h¬i 12 (¸p suÊt trong th¸p lµ 3,0 MPa). §Ó ®¶m b¶o chÕ ®é lµm viÖc cña th¸p, chÊt hÊp thô nhÑ ®i vµo ®Üa trªn cïng cña th¸p cÇn ph¶i cã nhiÖt ®é −37 0 C. Cßn phÇn d−íi cña th¸p 12 cã nhiÖt ®é kh¸c nhau do tuÇn hoµn láng qua ba thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 13, 14, 15. KhÝ kh« tho¸t ra tõ ®Ønh th¸p 12, cßn tõ ®¸y th¸p lµ chÊt hÊp thô b o hoµ ® t¸ch etan. KhÝ kh« sau khi b o hoµ s¬ bé cho chÊt hÊp thô nhÑ ® t¸i sinh (trong thiÕt bÞ bay h¬i propan 10 vµ thiÕt bÞ t¸ch 11) vµ ®−îc gia nhiÖt trong thiÕt bÞ gia nhiÖt 9 ®−îc ®−a ®i sö dông (®−êng III trªn h×nh VII.7), cßn chÊt hÊp thô ® t¸ch etan ®i vµo phÇn gi÷a cña th¸p nh¶ hÊp thô 18 (¸p suÊt trong th¸p lµ 2,0 MPa). Tõ ®Ønh th¸p nh¶ hÊp thô nhËn ®−îc ph©n ®o¹n çc hydrocacbon nÆng C≥ 3 , sau khi ng−ng tô vµ lµm l¹nh trong thiÕt bÞ lµm l¹nh b»ng kh«ng khÝ 16 ®i vµo håi l−u 17, mét phÇn quay trë l¹i th¸p nh¶ hÊp thô, mét phÇn ®−a ®i ®ãng gãi s¶n phÈm. ChÊt hÊp thô ® t¸i sinh lÊy ra tõ ®¸y th¸p nh¶ hÊp thô 18 mét phÇn ®−îc gia nhiÖt trong lß 19 vµ quay trë l¹i ®¸y th¸p nh¶ hÊp thô, cßn mét l−îng c©n b»ng t−¬ng øng sau khi truyÒn nhiÖt trong çc thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 15, 14, 13, 2 vµ 8 ®−îc dÉn ®i b o hoµ b»ng çc hydrocacbon nhÑ. Nh− vËy chÊt hÊp thô ®i vµo th¸p 12 b o hoµ hydrocacbon nhÑ mét lÇn do tiÕp xóc víi khÝ kh« cña th¸p, cßn ®i vµo th¸p hÊp thô 7 chÊt hÊp thô b o hoµ hai lÇn: lÇn ®Çu do tiÕp xóc cña chÊt hÊp thô t¸i sinh víi khÝ kh« tõ th¸p 12 (ë ¸p suÊt 3,0 MPa), lÇn thø hai do tiÕp xóc cña chÊt hÊp thô ® hÊp thô lÇn mét víi khÝ kh« tõ ®Ønh th¸p hÊp thô 7 (ë ¸p suÊt 5,9 MPa). S¬ ®å nh− vËy cho phÐp ®¶m b¶o çc ®iÒu kiÖn tèi −u ®Ó tiÕn hµnh qu¸ tr×nh thùc hiÖn trong th¸p hÊp thô vµ th¸p hÊp thô - bèc h¬i. Trªn h×nh VII.8 lµ s¬ ®å c«ng nghÖ thiÕt bÞ HNT cña nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ dïng ®Ó t¸ch etan vµ çc hydrocacbon nÆng tõ khÝ tù nhiªn ë thµnh phè Elvin (Mü). ChÊt hÊp thô sö dông ë ®©y lµ ph©n ®o¹n benzin cã khèi l−îng ph©n tö 100. KhÝ tù nhiªn (cã ¸p suÊt 3,2 MPa) ®−îc lµm l¹nh trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 1 vµ chu tr×nh l¹nh propan 2, 4 ®Õn nhiÖt ®é −37 0 C . §Ó s¬ bé t¸ch Èm tr−íc khi lµm l¹nh khÝ, dßng khÝ nguyªn liÖu tr−íc khi vµo 2 ®−îc trén víi dung dÞch etylen glycol, dung dÞch nµy sau khi ® b o hoµ h¬i n−íc ®−îc t¸ch khái khÝ ë th¸p t¸ch 3 vµ ®−a ®i t¸i sinh (trªn h×nh kh«ng thÓ hiÖn c«ng ®o¹n t¸i sinh etylen glycol). Sau ®ã dßng khÝ l¹i ®−îc b o hoµ mét phÇn víi chÊt hÊp thô ®Ó s¬ bé t¸ch çc hydrocacbon nÆng C≥ 4 vµ ®−îc ®−a vµo ®Üa d−íi cïng cña th¸p hÊp thô 5. ChÊt hÊp thô t¸i sinh ® b o hoµ hydrocacbon http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 169 170 VIII 6 10 V VI X XV 15 IX 18 7 VII 5 XI 19 XII 11 XIV 16 1 2 3 4 VIII I II 12 20 21 III IV V 8 9 13 XIII XII VIII VIII 17 14 XV H×nh VII.8. S¬ ®å c«ng nghÖ thiÕt bÞ HNT cña nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ t¹i thµnh phè Elvin - Mü http://www.ebook.edu.vn 1,8,12,13. ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt; 3,7,15. Çc th¸p t¸ch; 2,4,6,10,14,17,19. ThiÕt bÞ bay h¬i propan; 5. Th¸p hÊp thô; 9. Th¸p bèc h¬i - t¸ch; 11. Th¸p hÊp thô-bèc h¬i; 16. Th¸p nh¶ hÊp thô; 18. ThiÕt bÞ lµm l¹nh b»ng kh«ng khÝ; 20. Håi l−u; 21. Lß; I. KhÝ nguyªn liÖu; II. KhÝ kh« cña th¸p hÊp thô sau c«ng ®o¹n b·o hoµ chÊt hÊp thô t¸i sinh; III. Dung dÞch etylen glycol; IV. Etylen glycol tù do; V. ChÊt hÊp thô b·o hoµ; VI, IX. KhÝ kh«; VII, XI. ChÊt hÊp thô b·o hoµ hydrocacbon nhÑ; VIII - ChÊt hÊp thô ®· t¸i sinh; X. KhÝ kh« cña th¸p hÊp thô-bèc h¬i sau c«ng ®o¹n b·o hoµ chÊt hÊp thô t¸i sinh; XII. ChÊt hÊp thô b·o hoµ ®· t¸ch metan; XIII. ChÊt hÊp thô b·o hoµ mét phÇn; XIV. KhÝ; XV. Ph©n ®o¹n hydrocacbon nÆng C ≥ 2 . Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn nhÑ vµ ®−îc lµm l¹nh trong thiÕt bÞ bay h¬i propan 6 cã nhiÖt ®é −37 0 C ®−îc ®−a vµo ®Üa trªn cïng cña th¸p hÊp thô 5. Tõ ®Ønh th¸p hÊp thô 5 nhËn ®−îc khÝ kh«, sau khi qua c«ng ®o¹n b o hoµ s¬ bé (ë thiÕt bÞ bay h¬i propan 6 vµ thiÕt bÞ t¸ch 7) vµ truyÒn l¹nh trong bé thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 1, khÝ ®−a ®i tiªu thô (®−êng II). Tõ ®¸y th¸p hÊp thô 5 nhËn ®−îc chÊt hÊp thô b o hoµ. ChÊt hÊp thô b o hoµ nµy chia lµm hai dßng: mét dßng sÏ hçn hîp víi khÝ tr−íc khi vµo thiÕt bÞ bay h¬i propan 4 (nh»m môc ®Ých s¬ bé t¸ch benzin khái khÝ), dßng thø hai sau khi truyÒn l¹nh trong bé thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 8 ®i vµo thiÕt bÞ bèc h¬i-t¸ch 9, t¹i ®©y chÊt hÊp thô b o hoµ ®−îc t¸ch khÝ mét phÇn do qu¸ tr×nh tiÕt l−u. Sau ®ã c¶ khÝ vµ chÊt hÊp thô ®−îc dÉn vµo th¸p hÊp thô-bèc h¬i 11. Çc phÇn cßn l¹i t−¬ng tù s¬ ®å ® xem xÐt ë trªn. Trªn h×nh VII.9 lµ s¬ ®å HNT cña nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ dïng ®Ó t¸ch propan vµ hydrocacbon nÆng tõ khÝ ®ång hµnh ë thµnh phè Nhiznevartovsk (CHLB Nga). C«ng suÊt nhµ m¸y 1 tû m 3 /n¨m. T¸ch 90% hydrocacbon C ≥ 3 trong khÝ nguyªn liÖu ban ®Çu. ChÊt hÊp thô ë ®©y dïng ph©n ®o¹n 105 ... 205 0 C cã khèi l−îng ph©n tö 140. Qu¸ tr×nh hÊp thô thùc hiÖn ë ¸p suÊt 4,0 MPa vµ nhiÖt ®é dßng khÝ vµo −23 0 C . KhÝ tr−íc khi vµo çc thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 2, 3 vµ thiÕt bÞ bay h¬i propan 4 ®−îc bæ sung etylen glycol ®Ó t¸ch mét phÇn n−íc. Tõ thiÕt bÞ bay h¬i propan 4 ra, hçn hîp khÝ etylen glycol ® hÊp thô n−íc vµ çc hydrocacbon ng−ng tô (condensat) ®−îc ®−a vµo th¸p t¸ch 5. Sau th¸p t¸ch etylen glycol ® hÊp thô n−íc ®−îc ®−a ®i t¸i sinh (trªn h×nh kh«ng thÓ hiÖn c«ng ®o¹n t¸i sinh nµy), condensat ®−a sang th¸p hÊp thô - bèc h¬i 12 sau khi ® truyÒn l¹nh trong çc thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 3 vµ 16, cßn khÝ ®i vµo phÇn d−íi cña th¸p hÊp thô 8, ®Üa trªn cïng cña th¸p hÊp thô ®−îc t−íi chÊt hÊp thô t¸i sinh ® b o hoµ hydrocacbon nhÑ cã nhiÖt ®é −23 0 C. Tõ ®Ønh th¸p hÊp thô nhËn ®−îc khÝ kh«, sau c«ng ®o¹n b o hoµ (ë thiÕt bÞ bay h¬i propan 7 vµ th¸p t¸ch 6) vµ hoµn nguyªn l¹nh trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 2 ®−îc ®−a ®i lµm nhiªn liÖu. ChÊt hÊp thô b o hoµ ®−îc lÊy ra tõ ®¸y th¸p hÊp thô 8, ®−a qua van tiÕt l−u (gi n në tõ ¸p suÊt 4,0 ®Õn 3,5 MPa) vµ sau khi truyÒn l¹nh trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 9 ®−îc ®−a vµo phÇn gi÷a cña th¸p hÊp thô - bèc h¬i 12 (¸p suÊt trong th¸p lµ 3,4 MPa). §Ó ®¶m b¶o chÕ ®é lµm viÖc cña th¸p, chÊt hÊp thô ®−a vµo ®Üa trªn cïng cña th¸p ®−îc lµm l¹nh ®Õn −23 0 C , cßn ®¸y th¸p ®−îc ®un nãng ë çc nhiÖt ®é kh¸c nhau nhê çc thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt tuÇn hoµn 13, 14. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 171 172 18 20 7 V 10 VI VI 19 IV 6 III I 1 III 2 11 III XII XIV 12 8 5 X IX XIII 13 3 4 II VI VI 21 22 14 VIII 9 VII 17 16 XIII 15 VI IX XIV H×nh http://www.ebook.edu.vn VII.9. S¬ ®å c«ng nghÖ HNT cña nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ t¹i thµnh phè Nhiznevartovsk - CHLB Nga 1,2,3,9,13,14,15,16. ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt; 5,6,11. Çc th¸p t¸ch; 4,7,10. ThiÕt bÞ bay h¬i propan; 8. Th¸p hÊp thô; 12. Th¸p hÊp thô bèc h¬i; 21. Th¸p nh¶ hÊp thô; 17,18,20. ThiÕt bÞ lµm l¹nh b»ng kh«ng khÝ; 19. Håi l−u; 22. ThiÕt bÞ ®un s«i ®¸y th¸p; I. KhÝ nguyªn liÖu; II. KhÝ kh« sau khi ®· b·o hoµ hydrocacbon nhÑ cho chÊt hÊp thô t¸i sinh; III. Dung dÞch etylen glycol; IV,XII. ChÊt hÊp thô t¸i sinh b·o hoµ hydrocacbon nhÑ; V,XI. KhÝ kh«; VI. ChÊt hÊp thô t¸i sinh; VII. ChÊt hÊp thô b·o hoµ; VIII. KhÝ; IX. Condensat; X. Etylen glycol tù do; XIII. ChÊt hÊp thô b·o hoµ ®· t¸ch etan; XIV. Ph©n ®o¹n hydrocacbon nÆng C ≥ 3 . Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Tõ ®Ønh th¸p hÊp thô - bèc h¬i 12 nhËn ®−îc khÝ kh«, sau c«ng ®o¹n b o hoµ (qua thiÕt bÞ bay h¬i propan 10 vµ th¸p t¸ch 11) vµ truyÒn l¹nh trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 1 ®−îc ®−a ®i tiªu thô. Tõ ®¸y th¸p 12 nhËn ®−îc chÊt hÊp thô ® b o hoµ, sau khi ®−îc gia nhiÖt trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 15 ®i vµo phÇn gi÷a cña th¸p nh¶ hÊp thô 21 (th¸p lµm viÖc ë ¸p suÊt 1,4 MPa). Tõ ®Ønh th¸p nh¶ hÊp thô nhËn ®−îc ph©n ®o¹n hydrocacbon C ≥ 3 , sau khi ng−ng tô vµ lµm l¹nh trong thiÕt bÞ lµm l¹nh b»ng kh«ng khÝ 18 ®−îc ®−a vµo håi l−u 19. Mét phÇn hydrocacbon quay trë l¹i lµm giµu cho ®Üa trªn cïng cña th¸p nh¶ hÊp thô, phÇn cßn l¹i ®−îc lµm l¹nh trong thiÕt bÞ lµm l¹nh b»ng kh«ng khÝ 20 vµ ®−a ®i sö dông. §Ó ®¶m b¶o chÕ ®é nhiÖt ®é lµm viÖc cÇn thiÕt cña th¸p nh¶ hÊp thô 21, chÊt hÊp thô ®−a vµo ®¸y th¸p ®−îc gia nhiÖt trong lß 22 vµ tuÇn hoµn vµo th¸p. Tõ ®¸y th¸p nh¶ hÊp thô 21 nhËn ®−îc chÊt hÊp thô ® t¸i sinh. Sau khi lµm l¹nh chÊt hÊp thô trong çc thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 15, 14, 13, 16 vµ trong thiÕt bÞ lµm l¹nh b»ng kh«ng khÝ 17, vµ thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 9, mét dßng chÊt hÊp thô ®−îc hçn hîp víi khÝ kh« cña th¸p hÊp thô, lµm l¹nh trong thiÕt bÞ bay h¬i propan 7 vµ sau khi qua th¸p t¸ch 6 ®i vµo th¸p hÊp thô 8, cßn mét dßng khÝ kh¸c hçn hîp víi khÝ kh« tõ th¸p 12, lµm l¹nh trong thiÕt bÞ bay h¬i propan 10, vµ sau th¸p t¸ch 11 ®−îc ®−a vµo th¸p hÊp thô - bèc h¬i 12. Çc chÕ ®é c«ng nghÖ cña s¬ ®å HNT trªn h×nh VII.9 nh− sau: Th¸p hÊp thô 8 0 NhiÖt ®é, C KhÝ nguyªn liÖu (dßng VIII) ChÊt hÊp thô t¸i sinh (dßng IV) KhÝ kh« (dßng V) ChÊt hÊp thô b o hoµ (dßng VII) ¸ p suÊt, MPa L−u l−îng chÊt hÊp thô, kg/m 3 khÝ §−êng kÝnh th¸p hÊp thô, mm Sè l−îng ®Üa van Kho¶ng çc gi÷a çc ®Üa, mm ChiÒu cao th¸p hÊp thô, mm −23 −23 −15 −10,5 3,4 1 2.600 30 600 27.700 Th¸p hÊp thô - bèc h¬i 12 0 NhiÖt ®é, C KhÝ nguyªn liÖu (dßng VII) http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 30 173 ChÊt hÊp thô t¸i sinh (dßng XII) ChÊt hÊp thô ® t¸ch etan (dßng XIII) ¸ p suÊt, MPa §−êng kÝnh th¸p hÊp thô, mm Sè l−îng ®Üa van Kho¶ng çc gi÷a çc ®Üa, mm ChiÒu cao th¸p hÊp thô, mm −23 136 1,8 1.400/2.400* 40 600 36.600 Th¸p nh¶ hÊp thô 21 0 NhiÖt ®é, C - KhÝ nguyªn liÖu (dßng XIII) 192 - §Ønh th¸p 78 - Håi l−u (dßng XIV) 50 - §¸y th¸p 310 NhiÖt ®é s¶n phÈm, 0 C - T¹i ®Çu vµo thiÕt bÞ ®un s«i 22 286 - T¹i ®Çu ra thiÕt bÞ ®un s«i 22 310 ¸ p suÊt, MPa 1,4 ChØ sè håi l−u 1,2 §−êng kÝnh th¸p, mm 2.600/3.600* Sè l−îng ®Üa van 41 Kho¶ng çc gi÷a çc ®Üa, mm 600 ChiÒu cao th¸p hÊp thô, mm 38.300 * Ghi chó: Tö sè lµ ®−êng kÝnh phÇn trªn, mÉu sè lµ ®−êng kÝnh phÇn d−íi cña th¸p. C©n b»ng vËt chÊt cña c«ng nghÖ HNT trªn h×nh VII.9 ®−îc tr×nh bµy theo s¬ ®å d−íi ®©y: I M¸y nÐn tíi 4,0 MPa Çc ph©n ®o¹n hydrocacbon nÆng 174 I IX Th¸p t¸ch 3,6 MPa −25 0 C II Th¸p nh¶ hÊp thô X 1,4 MPa 0 t ®Ønh = 45 C VII t ®¸y =209 0 C Th¸p hÊp thô 3,5 MPa −23 0 C III VI T¸ch etan tõ chÊt hÊp thô vµ condensat 1,8 MPa t ®Ønh = −25 0 C t ®¸y =107 0 C http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn IV M¸y nÐn tíi 5,5 MPa VIII V §−êng èng dÉn khÝ chÝnh B¶ng c©n b»ng vËt chÊt c«ng nghÖ hÊp thô nhiÖt ®é thÊp cña nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ Nhiznevartovsk - CHLB Nga (s¬ ®å trªn h×nh VII.9) Thμnh phÇn I II III IV V CH 4 60,78 77,10 10,02 92,10 87,14 C2H6 8,52 8,76 7,77 6,89 11,12 C3H8 16,03 10,19 34,29 1,01 1,74 izo-C 4 H 10 3,42 1,32 9,96 − − n-C 4 H 10 7,04 2,17 22,19 − − izo-C 5 H 12 1,72 0,24 6,33 − − n-C 5 H 12 1,89 0,20 7,14 − − C 6 H 14 0,60 0,02 2,40 − − C 7 H 16 − − − − − Tæng sè, kg/h 113.351,40 Thμnh phÇn VI 485.849,10 27.602,30 67.366,2 VII VIII IX 79.586,80 X CH 4 6,58 − 59,78 0,01 − C2H6 4,20 0,78 34,45 2,21 − C3H8 11,80 15,69 5,77 45,17 − izo-C 4 H 10 1,65 3,63 − 10,32 − n-C 4 H 10 2,72 7,47 − 21,23 0,02 izo-C 5 H 12 0,30 1,83 − 5,09 0,06 n-C 5 H 12 0,26 2,01 − 5,44 0,15 C 6 H 14 2,17 2,65 − 3,53 2,18 C 7 H 16 70,32 65,95 − − 97,59 37.527,00 692.976,00 Tæng sè, kg/h 68.500,80 106.824,50 12.218,60 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 175 Ch−¬ng VIII chÕ biÕn khÝ b»ng ph−¬ng ph¸p ch−ng cÊt S¬ ®å ch−ng cÊt nhiÖt ®é thÊp (CNT) thùc hiÖn qu¸ tr×nh t¸ch çc cÊu tö ®Þnh tr−íc hiÖu qu¶ h¬n s¬ ®å hÊp thô nhiÖt ®é thÊp (HNT) vµ thiÕt bÞ chÕ t¹o còng ®¬n gi¶n h¬n. Kh¸c nhau vÒ mÆt nguyªn lý gi÷a s¬ ®å CNT vµ NNT lµ ë chç nguyªn liÖu ®i vµo thiÕt bÞ sau khi lµm l¹nh (toµn bé hay mét phÇn dßng khÝ nguyªn liÖu) kh«ng cã sù t¸ch s¬ bé mµ ®−îc ®−a th¼ng vµo th¸p ch−ng, t¹i ®ã x¶y ra sù ph©n t¸ch riªng biÖt khÝ nguyªn liÖu thµnh khÝ kh« (tho¸t ra tõ ®Ønh th¸p) vµ ph©n ®o¹n çc hydrocacbon nÆng (lÊy ra tõ ®¸y th¸p). Phô thuéc vµo s¬ ®å nguyªn lý cña qu¸ tr×nh ch−ng cÊt nhiÖt ®é thÊp, thiÕt bÞ c¬ b¶n cña s¬ ®å lµ çc th¸p ch−ng ®−îc chia thµnh th¸p ch−ng - bèc h¬i vµ th¸p ng−ng tô - bèc h¬i. Th¸p ch−ng - bèc h¬i (h×nh VIII.1) lµm viÖc nh− th¸p ch−ng liªn tôc, dßng khÝ nguyªn liÖu ® ®−îc lµm l¹nh s¬ bé t¹i thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt thu håi nhê dßng khÝ ® t¸ch benzin ®−îc ®−a vµo phÇn gi÷a cña th¸p. Trªn ®Ønh th¸p ®−îc lµm l¹nh b»ng chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi, hçn hîp khÝ ®−îc ng−ng tô håi l−u trë vÒ ®Üa trªn cïng cña th¸p ch−ng, khÝ s¶n phÈm ® t¸ch benzin ®−îc dÉn theo ®−êng II sau khi ® truyÒn l¹nh cho khÝ nguyªn liÖu t¹i thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt thu håi. Th¸p ng−ng tô-bèc h¬i kh¸c víi th¸p ch−ng-bèc h¬i ë chç hçn hîp khÝ nguyªn liÖu ®−îc trén víi s¶n phÈm ®Ønh th¸p, sau khi lµm l¹nh nhê chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi b»ng propan ®−îc ®−a vµo ®Üa trªn cïng cña th¸p ch−ng. Trªn h×nh VIII.2 tr×nh bµy s¬ ®å th¸p ng−ng tô-bèc h¬i. Trong s¬ ®å nµy s¶n phÈm ®Ønh th¸p ®−îc trén víi dßng khÝ nguyªn liÖu, qua chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi cã nhiÖt ®é ©m cÇn thiÕt, hçn hîp ®−a qua thiÕt bÞ t¸ch 2, phÇn khÝ s¶n phÈm ®−a ra theo ®−êng VI, cßn phÇn láng ®−îc ®−a vµo ®Üa trªn cïng cña th¸p ng−ng tô-bèc h¬i. Trong qu¸ tr×nh lµm viÖc cña th¸p ch−ng, viÖc t¨ng ¸p suÊt sÏ lµm gi¶m kh«ng ®¸ng kÓ n¨ng l−îng cho c«ng ®o¹n lµm l¹nh, nh−ng n¨ng l−îng tiªu tèn chung cho toµn qu¸ tr×nh sÏ gi¶m ®¸ng kÓ v× qu¸ tr×nh ®−îc thùc hiÖn ë nhiÖt ®é cao h¬n. ChØ sè håi l−u tÝnh to¸n trong kho¶ng 1,55 ... 1,78. 176 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Th«ng th−êng trong c«ng nghiÖp th¸p ch−ng cã 13 ®Õn 17 ®Üa lý thuyÕt. Khi sö dông chu tr×nh lµm l¹nh propan vµ yªu cÇu nhËn s¶n phÈm C ≥ 3 , çc th«ng sè cña qu¸ tr×nh lµ nh− sau: nhiÖt ®é ®Ønh th¸p −23 0 C ... −30 0 C, ¸p suÊt trong th¸p 2,5 ... 3,5 MPa. I 1 3 C1 C2 C3 VI 4 C1 C2 V II V C2 C3 2 3 II 2 I 1 III III IV IV H×nh VIII.1. S¬ ®å th¸p ch−ng - bèc h¬i H×nh VIII.2. S¬ ®å th¸p ng−ng tô - bèc h¬i 1. ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt; 2. Th¸p ch−ng bèc h¬i; 3. Chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi; 4. ThiÕt bÞ t¸ch; I. KhÝ nguyªn liÖu; II. KhÝ 1. Chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi; 2. Th¸p t¸ch; 3. Th¸p ng−ng tô bèc h¬i; I. KhÝ nguyªn ®· t¸ch benzin; III. èng truyÒn nhiÖt; IV. Hydrocacbon nÆng; V. Håi l−u. liÖu; II. KhÝ ®· t¸ch benzin; III. èng truyÒn nhiÖt; IV. Hydrocacbon nÆng; V. Håi l−u; VI. S¶n phÈm ®Ønh th¸p. Trªn h×nh VIII.3 lµ s¬ ®å ch−ng cÊt cã hai ®−êng ®−a nguyªn liÖu vµo th¸p. VÒ mÆt nhiÖt ®éng häc s¬ ®å nµy hîp lý h¬n. Theo tÝnh to¸n s¬ ®å nµy cho phÐp tiÕt kiÖm kho¶ng 10% n¨ng l−îng, vµ qu¸ tr×nh thùc hiÖn ë nhiÖt ®é cao h¬n. Nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ ë Belaruxi (CHLB Nga) sö dông c«ng nghÖ CNT cã hai ®−êng ®−a nguyªn liÖu vµo th¸p. Theo s¬ ®å cña nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ Belaruxi, dßng khÝ nguyªn liÖu chia lµm hai dßng: Mét dßng kh«ng lµm l¹nh ®i vµo phÇn gi÷a cña th¸p, cßn dßng thø hai sau khi lµm l¹nh ®i vµo phÇn trªn cña th¸p (trong s¬ ®å cña nhµ m¸y dßng thø nhÊt lµ 60%, dßng thø hai lµ 40% cña dßng tæng). Dßng thø hai ®−îc lµm l¹nh trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 1 bëi dßng khÝ ®i ra tõ ®Ønh th¸p 5, sau ®ã ®−îc trén víi s¶n http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 177 phÈm ®Ønh th¸p trong thiÕt bÞ bay h¬i propan 2 ®Õn nhiÖt ®é −26 0 C, mét phÇn bÞ ng−ng tô. Hçn hîp hai pha tõ thiÕt bÞ bay h¬i propan 2 ®−îc dÉn vµo th¸p t¸ch 3, t¹i ®©y khÝ ®−îc t¸ch khái condensat. KhÝ sau khi truyÒn phÇn l¹nh trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 1 ®−îc ®−a ®i sö dông. PhÇn láng qua b¬m 4 ®i vµo phÇn trªn cña th¸p 5. 1 2 II V 3 IV 4 5 I 6 VI III H×nh VIII.3. S¬ ®å CNT cã hai ®−êng ®−a nguyªn liÖu vµo th¸p 1. Trao ®æi nhiÖt; 2. ThiÕt bÞ bay h¬i propan; 3. ThiÕt bÞ t¸ch ba pha; 4. B¬m; 5. Th¸p ch−ng; 6. ThiÕt bÞ ®un nãng ®¸y th¸p; I. KhÝ nguyªn liÖu; II. KhÝ kh«; III. Ph©n ®o¹n çc hydrocacbon nÆng; IV. Dietylen glycol 75%; V. Dietylen glycol 98...99%; VI. ChÊt t¶i nhiÖt. n hiÖt ®é cña th¸p t¸ch 3 ®−îc duy tr× ë −27 0 C. S¶n phÈm ®Ønh th¸p ch−ng 5 ®−îc hçn hîp víi dßng khÝ nguyªn liÖu ® qua lµm l¹nh 1. NhiÖt cung cÊp cho ®¸y th¸p 5 do dßng láng tuÇn hoµn qua thiÕt bÞ ®un nãng 6. NhiÖt ®é ®¸y th¸p lµ 1000 C. Tõ ®¸y th¸p nhËn ®−îc ph©n ®o¹n chøa çc hydrocacbon nÆng. S¬ ®å lµm viÖc cña nhµ m¸y nh− sau: NÐn khÝ ®Õn ¸p suÊt Ch−ng cÊt nhiÖt ®é thÊp P = 3,5 MPa; t ®Ønh = − 27 0 C t ®¸y = 100 0 C Hydrocacbon nÆng 178 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn §−êng èng dÉn khÝ Trªn h×nh VIII.4 lµ s¬ ®å CNT cã tuabin gi n në khÝ ®Ó t¸ch C ≥ 3 . Trong s¬ ®å nµy dïng t¸c nh©n l¹nh lµ propan, tuabin gi n në khÝ cho nhiÖt ®é thÊp h¬n n÷a. §Æc tr−ng cña s¬ ®å nµy lµ b»ng çch tiÕt l−u dßng láng ph©n ®o¹n chøa çc hydrocacbon nÆng ®Ó nhËn ®−îc propan cho chu tr×nh lµm l¹nh. II 2 5 3 IV I 6 1 4 III H×nh VIII.4. S¬ ®å CNT cã tuabin gi·n në khÝ 1,3. Çc th¸p t¸ch; 2. M¸y nÐn; 4. ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt; 5. Tuabin gi·n në khÝ; 6. Th¸p ch−ng; I. KhÝ nguyªn liÖu; II. KhÝ kh«; III. Ph©n ®o¹n çc hydrocacbon nÆng; IV. Propan. KhÝ nguyªn liÖu ®i vµo thiÕt bÞ ®−îc lµm l¹nh b»ng dßng khÝ kh« vµ propan ®i ng−îc l¹i trong thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt cã nhiÒu lèi vµo 4, vµ ®−îc dÉn vµo th¸p ch−ng 6. S¶n phÈm ®Ønh th¸p ch−ng 6 ®−a vµo tuabin gi n në khÝ 5, sau khi gi n në quay l¹i lµm l¹nh ®Ønh th¸p 6, sau ®ã ®i qua thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 4, vµ ®−a ®i sö dông (®−êng II). Tõ ®¸y th¸p 6 nhËn ®−îc ph©n ®o¹n chøa çc hydrocacbon nÆng, sau khi hçn hîp víi propan tr−íc khi vµo th¸p 4 sÏ truyÒn phÇn l¹nh cho khÝ nguyªn liÖu trong th¸p 4 vµ ®i ng−îc vµo th¸p t¸ch 1. Trong th¸p t¸ch 1 duy tr× ¸p suÊt sao cho tõ ®Ønh th¸p nhËn ®−îc propan cã ®é s¹ch cÇn thiÕt. Tõ ®¸y th¸p t¸ch nhËn ®−îc ph©n ®o¹n chøa çc hydrocacbon nÆng. Propan ®−îc nÐn b»ng m¸y nÐn 2, sau khi ®−îc lµm l¹nh ®i vµo th¸p t¸ch 3. T¹i ®©y çc cÊu tö nhÑ kh«ng ng−ng tô ®−îc t¸ch ra vµ ®−îc hçn hîp víi dßng khÝ nguyªn liÖu vµo, cßn propan láng ®i vµo thiÕt bÞ http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 179 bay h¬i propan ®Ó lµm l¹nh dßng khÝ nguyªn liÖu ®i vµo thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 4. B¶ng VIII.1 ®−a ra sè liÖu so s¸nh çc chØ tiªu kinh tÕ kü thuËt cña çc s¬ ®å CNT cã mét ®Çu vµo, hai ®Çu vµo, vµ s¬ ®å NNT. B¶ng VIII.1. So s¸nh çc chØ tiªu kinh tÕ kü thuËt cña çc s¬ ®å S¬ ®å NNT S¬ ®å CNT mét ®Çu vμo S¬ ®å CNT hai ®Çu vμo Kh¶ n¨ng t¸ch C 3 , % 76,0 66,3 73,1 Kh¶ n¨ng t¸ch C ≥ 3 , % 83,2 79,2 82,3 52,5 39,2 39,2 46,0 34,4 35,6 780,18 174,35 179,17 30,5 24,2 23,2 6 L−îng l¹nh 10 kJ/h 6 L−îng nhiÖt 10 kJ/h 3 Hydrocacbon nÆng 10 tÊn/n¨m Tiªu hao n¨ng l−îng, kW/h Thµnh phÇn dßng khÝ nguyªn liÖu vµo lµ nh− nhau. Çc th«ng sè cña qu¸ tr×nh ®èi víi c¶ ba s¬ ®å lµ: ¸p suÊt 3,5 MPa, nhiÖt ®é ®Ønh th¸p −26 0 C. C«ng suÊt 430 triÖu m3 /n¨m. Tõ çc sè liÖu ®−a ra ë trªn thÊy r»ng, l−îng hydrocacbon nÆng nhËn ®−îc nhiÒu nhÊt tõ s¬ ®å NNT, Ýt nhÊt tõ s¬ ®å CNT cã mét ®Çu vµo. TÊt c¶ çc chØ tiªu kinh tÕ kü thuËt cña s¬ ®å CNT cã hai ®Çu vµo tèt h¬n s¬ ®å cã mét ®Çu vµo. Nh− vËy trong tr−êng hîp yªu cÇu nhËn s¶n phÈm lµ propan vµ çc hydrocacbon nÆng khi chÕ biÕn khÝ bÐo (hµm l−îng C ≥ 3 cao h¬n 400 g/m 3 ) th× s¬ ®å ch−ng cÊt nhiÖt ®é thÊp cã hai ®Çu vµo lµ thÝch hîp h¬n c¶. 180 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Ch−¬ng IX Ph¹m vi øng dông cña çc qu¸ tr×nh chÕ biÕn khÝ §Ó x¸c ®Þnh ®−îc ph¹m vi øng dông çc qu¸ tr×nh hÊp thô nhiÖt ®é thÊp (HNT) vµ ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp (NNT) khi chÕ biÕn khÝ ®ång hµnh cã hµm l−îng C ≥ 3 kh¸c nhau, ng−êi ta ® ®−a ra çc nghiªn cøu tÝnh to¸n, so s¸nh çc kÕt qu¶ tÝnh hÖ sè t¸ch tèi −u çc cÊu tö ®Þnh tr−íc ®èi víi tõng s¬ ®å. §Ó x¸c ®Þnh chÕ ®é lµm viÖc tèi −u cña çc s¬ ®å, ng−êi ta sö dông hai tiªu chuÈn tèi −u ho¸ sau ®©y: 1. ChØ sè chi phÝ t−¬ng ®èi lµ tû sè gi÷a chi phÝ vµ gi¸ thµnh s¶n phÈm hµng ho¸: C 0 = C/G trong ®ã: C 0 lµ chØ sè chi phÝ t−¬ng ®èi; C lµ chi phÝ s¶n xuÊt; G lµ gi¸ thµnh s¶n phÈm hµng ho¸. 2. ChØ sè thu nhËp −íc ®Þnh T ®−îc tÝnh b»ng: T=G−C trong ®ã: T lµ chØ sè thu nhËp −íc ®Þnh; G lµ gi¸ thµnh s¶n phÈm hµng ho¸; C lµ chi phÝ s¶n xuÊt. ChØ sè T ®−îc sö dông rÊt réng r i ®Ó tÝnh to¸n tèi −u trong c«ng nghiÖp ho¸ häc, chÕ biÕn dÇu khÝ, ho¸ dÇu, vµ c«ng nghiÖp giÊy - xenlulo. Trong thùc tÕ ng−êi ta cßn sö dông chØ sè C = C t + e.K, trong ®ã C t lµ chi phÝ s¶n xuÊt thùc tÕ, K lµ vèn ®Çu t−, e lµ hÖ sè cho thÊy phÇn vèn ®Çu t− bæ sung hµng n¨m, ®èi víi c«ng nghiÖp chÕ biÕn khÝ hÖ sè e b»ng 0,17. Çc tÝnh to¸n ® cho thÊy, khi tÝnh to¸n tèi −u theo c¶ hai tiªu chuÈn (chØ sè chi phÝ t−¬ng ®èi vµ chØ sè thu nhËp −íc ®Þnh) cho kÕt qu¶ trïng nhau. Çc th«ng sè c«ng nghiÖp ® ®−îc chän ®Ó tÝnh to¸n so s¸nh hai qu¸ tr×nh NNT vµ HNT, nhiÖt ®é t¸ch b»ng −60 0 C ®èi víi khÝ cã hµm l−îng C ≥ 3 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 181 b»ng 156 g/m 3 , hÖ sè t¸ch 72,7%; −50 0 C ®èi víi khÝ cã hµm l−îng C ≥ 3 b»ng 295 g/m 3 , hÖ sè t¸ch 81%; −31 0 C ®èi víi khÝ cã hµm l−îng C ≥ 3 b»ng 463 g/m 3 , hÖ sè t¸ch b»ng 81,1%. Trªn h×nh IX.1 vµ h×nh IX.2 tr×nh bµy sù phô thuéc cña chØ sè thu nhËp −íc ®Þnh T vµ chØ sè chi phÝ t−¬ng ®èi C vµo hµm l−îng C ≥ 3 trong khÝ nguyªn liÖu khi chÕ biÕn khÝ theo s¬ ®å NNT vµ HNT. Tõ h×nh vÏ thÊy r»ng, çc s¬ ®å NNT vµ HNT lµ nh− nhau vÒ mÆt kinh tÕ trong mét kho¶ng réng “®é bÐo” cña khÝ: tõ 250 ®Õn 350 g/m 3 . Khi chÕ biÕn khÝ cã hµm l−îng C ≥ 3 lín h¬n 350 - 400 g/m 3 th× s¬ ®å NNT kinh tÕ h¬n. Khi ®ã nhiÖt ®é tèi −u ®Ó chÕ biÕn khÝ lµ −30 0 C, nhiÖt ®é nµy cã ®−îc nhê sö dông chu tr×nh lµm l¹nh b»ng propan. Khi chÕ biÕn khÝ cã hµm l−îng C ≥ 3 nhá h¬n 250 g/m 3 , s¬ ®å NNT còng tá ra kinh tÕ h¬n; tuy nhiªn khi ®ã nhiÖt ®é qu¸ tr×nh cÇn lµ −66 0 C. Trong ®iÒu kiÖn sö dông chu tr×nh lµ l¹nh b»ng propan, vµ cÇn ph¶i t¸ch tèi ®a propan vµ çc hydrocacbon nÆng th× qu¸ tr×nh HNT lµ kh¶ n¨ng duy nhÊt cho phÐp t¸ch tíi trªn 90% propan vµ çc hydrocacbon nÆng khi chÕ biÕn khÝ cã thµnh phÇn bÊt kú. ChØ sè thu nhËp −íc ®Þnh T 2,0 2 1,5 1 1,0 0,5 0 -0,5 200 400 Hµm l−îng C ≥ 3 -1,0 ChØ sè chi phÝ t−¬ng ®èi C 2,5 2 1,0 0,9 -1,5 200 -2,0 H×nh IX.1. Sù phô thuéc chØ sè thu nhËp −íc ®Þnh vµo hµm l−îng C ≥ 3 cña khÝ trong çc qu¸ tr×nh HNT (®−êng 1) vµ NNT (®−êng 2) 182 1 1,1 400 Hµm l−îng C ≥ 3 H×nh IX.2. Sù phô thuéc chØ sè chi phÝ t−¬ng ®èi vµo hµm l−îng C ≥ 3 cña khÝ trong qu¸ tr×nh HNT (®−êng 1) vµ NNT (®−êng 2) http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Trong tr−êng hîp cÇn t¸ch C ≥ 2 th× trªn thùc tÕ s¬ ®å NNT lµ kh¶ n¨ng duy nhÊt cho phÐp t¸ch ®Õn 80 ... 90% etan ë chÕ ®é t−¬ng øng. Nh− ® nãi ë phÇn trªn, s¬ ®å NNT cã tuabin gi n në khÝ lµ s¬ ®å cã hiÖu qu¶ h¬n c¶. Çc tÝnh to¸n chi tiÕt ®Çy ®ñ víi çc s¬ ®å chÕ biÕn khÝ HNT, NNT cã chu tr×nh lµm l¹nh nhiÒu bËc vµ s¬ ®å NNT cã tuabin gi n në khÝ (¸p suÊt 3,5MPa) cho thÊy, çc chØ tiªu kinh tÕ kü thuËt cña nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ lµm viÖc theo c«ng nghÖ NNT cã tuabin gi n në khÝ tèt h¬n çc chØ tiªu cña nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ cã s¬ ®å c«ng nghÖ NNT th«ng th−êng, vµ tèt h¬n nhiÒu so víi çc chØ tiªu cña nhµ m¸y lµm viÖc theo s¬ ®å HNT. H ng Fluor cña Mü ® trªn 30 n¨m nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ çc thiÕt bÞ chÕ biÕn khÝ cho thÊy r»ng, nh÷ng n¨m gÇn ®©y do nhu cÇu tiªu thô etan t¨ng m¹nh dÉn ®Õn xu h−íng chñ yÕu chÕ biÕn khÝ b»ng ph−¬ng ph¸p ng−ng tô nhiÖt ®é thÊp. Khi ®ã ®èi víi khÝ tù nhiªn kh« nªn dïng çc s¬ ®å NNT cã tuabin gi n në khÝ, cho phÐp t¸ch 40 ... 60% etan, 90% propan, 98% butan vµ hydrocacbon nÆng h¬n. §Ó chÕ biÕn khÝ ®ång hµnh nªn dïng çc s¬ ®å NNT sau ®©y: HÖ sè t¸ch S¬ ®å c«ng nghÖ ϕC2 ϕC3 ϕC≥4 NNT víi chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi b»ng propan vµ lµm l¹nh trong. 0,4 0,9 0,97 NNT víi chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi b»ng propanetan theo bËc. 0,6 − 0,8 0,95 0,99 NNT víi chu tr×nh lµm l¹nh ngoµi b»ng propan vµ tuabin gi·n në khÝ. 0,6 − 0,8 0,95 0,99 NNT víi chu tr×nh lµm l¹nh propan-etan theo bËc vµ tuabin gi·n në khÝ. 0,6 − 0,8 0,95 0,99 Tuy nhiªn do cÊu t¹o ®¬n gi¶n cña thiÕt bÞ, h ng ® sö dông s¬ ®å cã chu tr×nh lµm l¹nh b»ng propan vµ tuabin gi n në khÝ trong tr−êng hîp t¸ch C≥2 còng nh− trong tr−êng hîp cÇn t¸ch triÖt ®Ó propan vµ çc hydrocacbon nÆng. Çc s¬ ®å ®−a ra ë trªn cã çc ®Æc tr−ng sau: ThiÕt bÞ lµm l¹nh b»ng propan lµm l¹nh ë ba chÕ ®é ®¼ng nhiÖt. Çc condensat t¹o thµnh ®−îc ®−a http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 183 vµo th¸p t¸ch metan theo çc dßng kh¸c nhau. Trong tuabin khÝ th−êng ®−îc gi n në tõ 5,0 ... 2,8 MPa. Trong c«ng ®o¹n lµm l¹nh propan vµ lµm l¹nh dßng ng−îc chiÒu, khÝ ®−îc lµm l¹nh ®Õn −62 0 C, cßn trong tuabin khÝ ®−îc lµm l¹nh ®Õn −87 0 C. Nh− ® nãi ë phÇn trªn, khi chÕ biÕn khÝ rÊt “bÐo” (hµm l−îng C≥ 3 vµo kho¶ng 600 g/m3 vµ cao h¬n), víi môc ®Ých nhËn C≥3 sö dông qu¸ tr×nh ch−ng cÊt nhiÖt ®é thÊp cã hai ®−êng ®−a nguyªn liÖu vµo th¸p lµ thÝch hîp h¬n c¶. 184 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn phÇn III chuyÓn ho¸ khÝ tù nhiªn vμ khÝ ®ång hμnh KhÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh víi cÊu tö chÝnh lµ metan ®−îc dïng lµm nhiªn liÖu vµ nguyªn liÖu ®Ó tæng hîp çc s¶n phÈm cã gi¸ trÞ kinh tÕ. KhÝ sau khi ®−îc chÕ biÕn vµ ph©n t¸ch tõ çc c«ng ®o¹n ® xÐt ë phÇn trªn, cho çc s¶n phÈm khÝ riªng biÖt: metan, etan, propan, butan, vµ ph©n ®o¹n çc hydrocacbon cao h¬n (gäi lµ condensat). Ph©n t¸ch khÝ ch−a ph¶i lµ môc ®Ých cuèi cïng cña qu¸ tr×nh chÕ biÕn khÝ. C«ng ®o¹n cã ý nghÜa nhÊt lµ b»ng çc qu¸ tr×nh c«ng nghÖ ho¸ häc víi çc hÖ xóc t¸c ®Æc biÖt ®Ó chuyÓn ho¸ metan thµnh çc s¶n phÈm cã gi¸ trÞ kinh tÕ cao. HiÖn nay tõ khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh ng−êi ta ® tæng hîp ®−îc hµng tr¨m s¶n phÈm kh¸c nhau cã gi¸ trÞ phôc vô cho ®êi sèng vµ çc ngµnh kinh tÕ kh¸c. Ngoµi metan, çc s¶n phÈm kh¸c cña qu¸ tr×nh chÕ biÕn khÝ còng ®−îc sö dông lµm nguyªn liÖu quan träng cho c«ng nghÖ tæng hîp ho¸ dÇu nh−: etan dïng ®Ó s¶n xuÊt etylen, PE ..., propan dïng ®Ó s¶n xuÊt etylen vµ propylen, PVC, PP ..., izo-butan ®Ó ®iÒu chÕ izo-buten vµ cao su butyl kh«ng thÊm khÝ, s¶n xuÊt LNG, CNG, LPG ... Trong phÇn III nµy sÏ nghiªn cøu mét sè qu¸ tr×nh c¬ b¶n chuyÓn ho¸ trùc tiÕp vµ gi¸n tiÕp metan thµnh etan, etylen, khÝ tæng hîp, metanol, amoniac vµ axetylen lµ nh÷ng nguyªn liÖu quan träng cho c«ng nghiÖp ho¸ häc vµ nhiÒu ngµnh c«ng nghiÖp kh¸c. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 185 186 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Ch−¬ng X Oxy ho¸ ghÐp ®«i Metan Qu¸ tr×nh oxy ho¸ ghÐp ®«i metan lµ qu¸ tr×nh oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn metan ®Ó nhËn ®−îc çc hydrocacbon cao h¬n, trong ®ã chñ yÕu lµ etan vµ etylen. §©y lµ mét vÊn ®Ò rÊt cã ý nghÜa vÒ ph−¬ng diÖn lý thuyÕt ® l«i cuèn nhiÒu nhµ nghiªn cøu trªn thÕ giíi. C«ng tr×nh ®Çu tiªn nghiªn cøu xóc t¸c cho qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ trùc tiÕp metan thµnh etylen cña Keller vµ Bhasin c«ng bè n¨m 1982. Sau ®ã hµng lo¹t c«ng tr×nh nghiªn cøu trªn çc hÖ xóc t¸c kh¸c nhau ® ®−îc c«ng bè. §ång thêi mét sè nhµ nghiªn cøu kh¸c theo h−íng nghiªn cøu thiÕt bÞ ph¶n øng phï hîp cho qu¸ tr×nh oxy ho¸ ghÐp ®«i metan nh− m« h×nh thiÕt bÞ ph¶n øng tÇng cè ®Þnh, thiÕt bÞ ph¶n øng gi¸n ®o¹n, thiÕt bÞ ph¶n øng víi líp xóc t¸c mµng,.. Nãi chung ph¶n øng oxy ho¸ trùc tiÕp metan kh«ng thuËn lîi vÒ mÆt nhiÖt ®éng häc v× çc ph©n tö metan cã ®é bÒn liªn kÕt C−H cao, çc s¶n phÈm t¹o thµnh (nh− etan, etylen, vµ çc hydrocacbon cao h¬n) ®Òu cã ®é bÒn liªn kÕt kÐm h¬n. Çc s¶n phÈm ®Çu cña qu¸ tr×nh oxy ho¸ ghÐp ®«i metan cã xu h−íng dÔ bÞ oxy ho¸ s©u h¬n thµnh CO x . Çc c«ng tr×nh tËp trung nghiªn cøu nh»m t×m ra hÖ xóc t¸c cã ho¹t tÝnh cao vµ thiÕt bÞ ph¶n øng thÝch hîp, thùc hiÖn qu¸ tr×nh oxy ho¸ ghÐp ®«i metan víi hiÖu suÊt vµ ®é chän läc cao cho çc s¶n phÈm chÝnh lµ C 2 H 6 vµ C 2 H 4 , h¹n chÕ çc ph¶n øng oxy ho¸ s©u t¹o s¶n phÈm phô kh«ng mong muèn lµ CO vµ CO 2 . X.1. Xóc t¸c vμ c¬ chÕ qu¸ tr×nh oxy ho¸ ghÐp ®«i metan HiÖn nay cã tíi hµng tr¨m lo¹i xóc t¸c ®−îc nghiªn cøu cho ph¶n øng oxy ho¸ ghÐp ®«i metan. Trong sè ®ã cã nh÷ng xóc t¸c cã hiÖu qu¶, cßn mét sè kh¸c l¹i kh«ng cã ho¹t tÝnh cao víi ph¶n øng nµy. Nãi chung çc kim lo¹i nhãm VIII trong b¶ng hÖ thèng tuÇn hoµn Mendeleep, çc oxit kim lo¹i chuyÓn tiÕp kh«ng biÕn tÝnh (vÝ dô Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , NiO) kh«ng cã ®é chän läc cao víi ph¶n øng oxy ho¸ ghÐp ®«i metan. Çc nhãm xóc t¸c cã ho¹t tÝnh t−¬ng ®èi cao xem ë b¶ng X.1. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 187 B¶ng X.1. Ph©n lo¹i çc nhãm xóc t¸c cho ph¶n øng oxy ho¸ ghÐp ®«i metan Nhãm xóc t¸c VÝ dô Ion IA/oxit IIA Li/MgO T©m ho¹t ®éng − − [M +O ] OS Na + /CaO Oxit hä Lantan La 2 O 3 O−2 hoÆc O 2 2− Sm 2 O 3 2− O2 M 2 CO 3 /Oxit baz¬ Na 2 CO 3 /MgO (M-Kim lo¹i IA) Na 2 CO 3 /CeO 2 Oxit IIA/oxit baz¬ BaO/CaO O2 PbO/MgO O2 NaMnO 4 /MgO O2 Oxit kim lo¹i chuyÓn tiÕp ®· biÕn tÝnh 2− 2− 2− Na 2 CO 3 /Mg 6 MnO 8+ Monophasic oxit BaPbO 3 , LiNiO 2 LiCa 2 Bi 3 O 4 Cl 6 M O− O− Çc ion ph©n nhãm chÝnh nhãm I cña b¶ng hÖ thèng tuÇn hoµn cã mÆt trong nhiÒu xóc t¸c hiÖu qu¶ nhÊt ®èi víi ph¶n øng oxy ho¸ ghÐp ®«i metan. Çc nghiªn cøu vÒ c¬ chÕ vµ ®éng häc cña ph¶n øng oxy ho¸ ghÐp ®«i metan chñ yÕu ®−îc thùc hiÖn trªn xóc t¸c Li/MgO vµ cã thªm chÊt kÝch ho¹t Ce/Li/MgO, lµ nh÷ng hÖ xóc t¸c cã nhiÒu høa hÑn cho ph¶n øng oxy ho¸ ghÐp ®«i metan víi hiÖu suÊt s¶n phÈm C 2 lªn tíi 19%. B»ng ph−¬ng ph¸p ®ång vÞ ®¸nh dÊu ng−êi ta ® x¸c ®Þnh ®−îc c¬ chÕ ph¶n øng vµ c¬ chÕ ho¹t ®éng cña xóc t¸c. Çc ph¶n øng chÝnh cña qu¸ tr×nh oxy ho¸ ghÐp ®«i metan trªn xóc t¸c Ce/Li/MgO tiÕn hµnh ë nhiÖt ®é 750 0 C bao gåm: 2CH 4 + 0,5O 2 C2H6 + H2O (1) 2CH 4 + O 2 C 2 H 4 + 2H 2 O (2) CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O (3) C 2 H 6 + 3,5O 2 2CO 2 + 3H 2 O (4) CO + 0,5O 2 CO 2 (5) C2H4 + H2 (6) C2H4 + H2O (7) 2CO + 2H 2 O (8) C2H6 C 2 H 6 + 0,5O 2 C 2 H 4 + 2O 2 Qu¸ tr×nh cã thÓ biÓu diÔn b»ng s¬ ®å chung nh− ë h×nh X.1. 188 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn C2H6 C2H4 CH4 CO CO2 H×nh X.1. S¬ ®å qu¸ tr×nh oxy ho¸ ghÐp ®«i metan S¬ ®å trªn ® tæng hîp çc ph¶n øng chÝnh cña qu¸ tr×nh trong ®ã bao gåm çc ph¶n øng kh«ng cÇn xóc t¸c vµ çc ph¶n øng cã mÆt xóc t¸c. Çc s¶n phÈm chÝnh cña qu¸ tr×nh lµ C 2 H 6 vµ C 2 H 4 , ®ång thêi cßn nhËn ®−îc c¶ çc s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh oxy ho¸ s©u h¬n lµ CO vµ CO 2 Çc tÝnh to¸n nhiÖt ®éng ® chØ ra r»ng, ë tr¹ng th¸i c©n b»ng nhiÖt ®éng etylen lµ s¶n phÈm chÝnh cña qu¸ tr×nh. Tuy nhiªn hiÖu suÊt etylen bÞ giíi h¹n bëi ®é chuyÓn ho¸ metan cã chiÒu h−íng gi¶m khi t¨ng ¸p suÊt. NÕu t¨ng l−îng oxy cho ph¶n øng th× ®é chuyÓn ho¸ metan sÏ cao h¬n, nh−ng l¹i lµm gi¶m ®é chän läc ®èi víi s¶n phÈm C2 . Çc thÝ nghiÖm ® tiÕn hµnh kiÓm tra réng r i çc ®iÒu kiÖn ¶nh h−ëng lªn qu¸ tr×nh nh−: ph−¬ng ph¸p ®iÒu chÕ xóc t¸c cã ¶nh h−ëng ®Õn tÝnh chÊt vµ ho¹t tÝnh cña xóc t¸c, hiÖu suÊt cña qu¸ tr×nh trªn mét vµi thiÕt bÞ ph¶n øng kh¸c nhau (thiÕt bÞ ph¶n øng tÇng s«i, tÇng cè ®Þnh, thiÕt bÞ mµng, thiÕt bÞ plasma...). ChÊt mang cã ¶nh h−ëng ®¸ng kÓ ®Õn ®é chän läc cña xóc t¸c. Víi chÊt mang cã tÝnh axit, nh− γ -Al 2 O 3 , xóc t¸c cã ho¹t tÝnh cao vµ ®é chän läc cao víi ph¶n øng t¹o CO. Víi çc chÊt mang trung tÝnh, axÝt yÕu hoÆc baz¬ yÕu, nh− TiO 2 , ZrO 2 , ZnO 2 ..., xóc t¸c cã ho¹t tÝnh thÊp nh−ng cã ®é chän läc cao víi çc s¶n phÈm C 2 . Víi chÊt mang cã tÝnh baz¬, xóc t¸c nhËn ®−îc cã ho¹t tÝnh cao vµ ®é chän läc cao víi s¶n phÈm C 2 . Trong sè çc chÊt mang cã tÝnh baz¬, MgO vµ β -Al 2 O 3 cho kÕt qu¶ tèt nhÊt. Tõ thÝ nghiÖm ë ®iÒu kiÖn ¸p suÊt thÊp trªn thiÕt bÞ ph¶n øng cã g¾n thiÕt bÞ ®o khèi phæ, cã thÓ x¸c ®Þnh vai trß cña çc ph¶n øng dÞ thÓ. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 189 Dïng ph−¬ng ph¸p nguyªn tö ®¸nh dÊu ®Ó x¸c ®Þnh c¬ chÕ, ph¸t hiÖn ho¹t tÝnh cña oxy trong çc ®iÒu kiÖn lµm viÖc cè ®Þnh, trén lÉn hçn hîp metan/ etan/oxy vµ metan/etylen/oxy ®Ó kh¶o s¸t quan hÖ tèc ®é ph¶n øng gi÷a cÊu tö cña hçn hîp ph¶n øng. KÕt hîp víi çc ph−¬ng ph¸p vËt lý ®Ó tiÕn hµnh ph¶n øng trong tr¹ng th¸i plasma vµ quan s¸t ¶nh h−ëng cña hÖ xóc t¸c Li/MgO ®Õn çc ph¶n øng chuçi gèc. Çc thÝ nghiÖm ë ®iÒu kiÖn ¸p suÊt cao ® cho thÊy çc ph¶n øng trong pha khÝ chiÕm −u thÕ khi t¨ng ¸p suÊt. CÊu tróc cña xóc t¸c ¶nh h−ëng rÊt nhiÒu tíi ho¹t tÝnh vµ ®é chän läc cña nã. Li 2 CO 3 bÞ nãng ch¶y vµ ph©n huû ë nhiÖt ®é 800 0 C thµnh Li 2 O vµ CO 2 vµ cã thÓ trong qu¸ tr×nh ®ã çc t©m ho¹t tÝnh ® ®−îc h×nh thµnh. Qu¸ tr×nh oxy ho¸ ghÐp ®«i metan ®−îc thùc hiÖn trªn hÖ xóc t¸c Li/MgO nhê sù cã mÆt cña pha Li 2 CO 3 c©n b»ng víi pha Li 2 O. Chóng lµm cho oxy ë tr¹ng th¸i rÊt ho¹t ®éng vµ thùc hiÖn qu¸ tr×nh ho¹t ho¸ metan. Pha Li 2 CO 3 phñ lªn bÒ mÆt cña MgO vµ do ®ã ng¨n c¶n qu¸ tr×nh oxy ho¸ hoµn toµn çc s¶n phÈm võa ®−îc t¹o thµnh. Qu¸ tr×nh xö lý tr−íc khi tiÕn hµnh oxy ho¸ sÏ rÊt cã lîi cho ho¹t tÝnh vµ ®é chän läc cña xóc t¸c. ChØ cÇn mét kho¶ng thêi gian ng¾n ®Ó xö lý còng cã thÓ lµm t¨ng ho¹t tÝnh cña xóc t¸c Li/MgO, nh−ng ®ång thêi còng lµm gi¶m tuæi thä cña xóc t¸c. Do ®ã cÇn x¸c ®Þnh mét thêi gian hîp lý tèi −u cho qu¸ tr×nh ho¹t ho¸ xóc t¸c. Çc thÝ nghiÖm nghiªn cøu qu¸ tr×nh oxy ho¸ ghÐp ®«i metan ë ¸p suÊt thÊp (10 ... 100 Pa) ® cho thÊy vai trß cña xóc t¸c Li/MgO trong qu¸ tr×nh ghÐp ®«i còng nh− trong qu¸ tr×nh ho¹t ho¸ metan ®Ó t¹o thµnh gèc metyl. Sù cã mÆt cña xóc t¸c lµm t¨ng nhanh kh«ng nh÷ng qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ C 1 thµnh C 2 mµ c¶ qu¸ tr×nh ph©n huû C2 thµnh CO vµ CO 2 . Qu¸ tr×nh oxy ho¸ ghÐp ®«i metan t¹o thµnh çc s¶n phÈm C 2 chñ yÕu ®−îc thùc hiÖn trong pha khÝ víi sù tham gia cña çc gèc metyl. §iÒu ®ã chøng tá r»ng ph¶n øng ®ång thÓ pha khÝ ®ãng vai trß rÊt quan träng trong qu¸ tr×nh oxy ho¸ ghÐp ®«i metan. Cã thÓ m« t¶ qu¸ tr×nh ph¶n øng b»ng s¬ ®å trªn h×nh X.2. Çc mòi tªn ®Ëm m« t¶ çc h−íng ph¶n øng chÝnh. Xóc t¸c ®ãng vai trß chñ yÕu trong hai giai ®o¹n: giai ®o¹n kh¬i mµo cña ph¶n øng vµ giai ®o¹n oxy ho¸ CO thµnh CO 2 . ë giai ®o¹n ®Çu, çc gèc CH 3 * kÕt hîp víi nhau t¹o thµnh etan, sau ®ã etan chuyÓn thµnh etylen. Etylen l¹i cã thÓ bÞ oxy ho¸ s©u h¬n thµnh CO b»ng çch trùc tiÕp hoÆc gi¸n tiÕp qua formaldehyt. 190 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn CH 4 O2 −H Xóc t¸c + CH3* CH 3 * O2 −H C2H5* CH2O O2 −H + CH3* C3H8 −H CO O2 C2H6 C2H4 −H + CH3 * C3H7* −H O2 Xóc t¸c CO2 + CH3* C3H6 + CH3* H×nh X.2. S¬ ®å ph¶n øng oxy ho¸ ghÐp ®«i metan trong pha khÝ Çc s¶n phÈm C 3 ®ãng vai trß kh«ng ®¸ng kÓ trong c¬ chÕ nµy v× tèc ®é t¹o thµnh chóng qu¸ thÊp. Qu¸ tr×nh oxy ho¸ ghÐp ®«i metan lµ mét qu¸ tr×nh cã nhiÒu høa hÑn ®Ó chuyÓn ho¸ trùc tiÕp khÝ tù nhiªn thµnh etan vµ etylen. §ã sÏ lµ mét qu¸ tr×nh c«ng nghÖ kh¶ thi vµ cã thÓ c¹nh tranh ®−îc vÒ mÆt kinh tÕ khi hiÖu suÊt ®¹t 25% víi ®é chän läc çc s¶n phÈm C 2 trªn 60% (h×nh X.3). 1000 Gi¸ thµnh etylen, USD/tÊn HiÖu suÊt = 25% 800 Gi¸ etylen trªn thÞ tr−êng 600 400 200 0 25 50 75 100 §é chän läc C 2 H×nh X.3. Sù phô thuéc cña gi¸ thµnh etylen vµo ®é chän läc víi hiÖu suÊt 25% http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 191 X.2. Çc thiÕt bÞ ph¶n øng nghiªn cøu qu¸ tr×nh oxy ho¸ ghÐp ®«i metan X.2.1. ThiÕt bÞ ph¶n øng víi líp xóc t¸c tÇng cè ®Þnh Qu¸ tr×nh ®−îc thùc hiÖn víi çc hÖ xóc t¸c cã Li hoÆc Li vµ Ce lµ cÊu tö ho¹t tÝnh trªn chÊt mang MgO. Do tÝnh chÊt dÔ bÞ kÕt dÝnh trong ®iÒu kiÖn ph¶n øng, v× thÕ hÖ xóc t¸c nµy kh«ng phï hîp víi thiÕt bÞ xóc t¸c tÇng s«i mµ thÝch hîp trong ®iÒu kiÖn thiÕt bÞ víi líp xóc t¸c tÇng cè ®Þnh. LÊy mÉu khÝ èng mao qu¶n cè ®Þnh Xóc t¸c tÇng cè ®Þnh 0 2 4 6 8 10 èng mao qu¶n cè ®Þnh H×nh X.4. S¬ ®å thiÕt bÞ ph¶n øng xóc t¸c tÇng cè ®Þnh S¬ ®å thiÕt bÞ ph¶n øng víi líp xóc t¸c tÇng cè ®Þnh ®−îc m« t¶ trªn h×nh X.4. ThiÕt bÞ ph¶n øng gåm cã èng ph¶n øng b»ng th¹ch anh h×nh trô, bªn trong èng cã n¹p xóc t¸c Li/MgO, chiÒu cao líp xóc t¸c lµ 10 cm, ë gi÷a líp xóc t¸c cã èng th¹ch anh cè ®Þnh, trong lßng lµ mét èng mao qu¶n cã xÎ r nh cã thÓ di chuyÓn lªn xuèng cho phÐp lÊy mÉu khÝ ®Ó ph©n tÝch t¹i çc vïng ph¶n øng kh¸c nhau. Qu¸ tr×nh tiÕn hµnh trong ®iÒu kiÖn ¸p suÊt khÝ quyÓn, nhiÖt ®é 750 0 C. Dßng khÝ bao gåm 10% mol hçn hîp ph¶n øng vµ 90% mol N 2 . Tû lÖ hydrocacbon vµ oxy thay ®æi trong kho¶ng tõ 2:1 ®Õn 10:1. HiÖu suÊt qu¸ tr×nh ®¹t 19%, ®é chän läc víi s¶n phÈm C 2 lµ 60%. NhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu ®ang nç lùc ®Ó t¨ng hiÖu suÊt lªn 25% vµ t¨ng ®é bÒn cña xóc t¸c nh»m ®¹t hiÖu qu¶ kinh tÕ cao. 192 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn X.2.2. ThiÕt bÞ ph¶n øng víi líp xóc t¸c mµng Qu¸ tr×nh ph¶n øng ®−îc thùc hiÖn víi xóc t¸c PbO/MgO ë ®iÒu kiÖn ¸p suÊt khÝ quyÓn, nhiÖt ®é ph¶n øng 750 0 C. S¬ ®å thiÕt bÞ ph¶n øng víi líp xóc t¸c mµng ®−îc m« t¶ trªn h×nh X.5. Kh«ng khÝ èng ph¶n øng lµ mét èng sø xèp cã ®−êng kÝnh ngoµi 4 mm, ®−êng kÝnh trong 1,5 mm, lç xèp cã ®−êng kÝnh 50 nm. Bªn ngoµi èng sø phñ mét líp MgO, sau ®ã ®−îc tÈm dung dÞch nitrat ch× råi nung trong kh«ng khÝ ë nhiÖt ®é 800 0 C trong thêi gian 10 phót, nitrat ch× sÏ ph©n huû thµnh oxit ch×. Qu¸ tr×nh phñ oxit ch× nh− trªn ®−îc thùc hiÖn 5 lÇn. Vïng ®−îc phñ dµi 50 mm, mËt ®é líp phñ lµ 24 mg PbO/cm 2 . Nh÷ng phÇn cßn l¹i cña èng sø ®−îc che b»ng líp thuû tinh láng còng qua xö lý nhiÖt. Ngoµi cïng lµ èng th¹ch anh ®−êng kÝnh trong 6 mm, cã hai ®−êng dÉn khÝ, mét ®−êng dÉn khÝ metan nguyªn liÖu vµ CH 4 mét ®−êng dÉn hçn hîp khÝ s¶n phÈm sau ph¶n øng. T¸c nh©n oxy ho¸ ë ®©y sö dông PbO/MgO oxy kh«ng khÝ ®−îc dÉn vµo bªn trong èng th¹ch lßng èng ph¶n øng. Hçn hîp sau ph¶n øng anh CH 4 ®−îc ®−a sang ph©n tÝch b»ng s¾c ký khÝ ®Ó Hydrocacbon C 2 Thuû tinh x¸c ®Þnh thµnh phÇn hçn hîp, tõ ®ã tÝnh ®é láng chuyÓn ho¸ vµ ®é chän läc cña qu¸ tr×nh. KhÝ metan ®−îc hÊp phô trªn bÒ mÆt èng sø xèp líp xóc t¸c PbO/MgO, cßn oxy kh«ng khÝ chui qua çc lç xèp cña èng sø xèp. Nhê H×nh X.5. S¬ ®å thiÕt bÞ ph¶n øng cã cÊu t¹o ®Æc biÖt cña èng ph¶n øng nh− víi líp xóc t¸c mµng m« t¶ trªn, qu¸ tr×nh ®−îc thùc hiÖn trong ®iÒu kiÖn thiÕu oxy trong dßng metan. V× vËy h¹n chÕ çc ph¶n øng oxy ho¸ s©u cho phÐp thùc hiÖn qu¸ tr×nh víi ®é chän läc kh¸ cao trªn 99% ë nhiÖt ®é ph¶n øng 7500C, nh−ng ®ång thêi tèc ®é t¹o thµnh çc s¶n phÈm C2 thÊp, tèc ®é t¹o thµnh C2H6 lµ 0,6 mol/h.m2, cßn tèc ®é t¹o thµnh C2H4 lµ 0,1 mol/h.m2. Xóc t¸c PbO/MgO lµ xóc t¸c cã nhiÒu høa hÑn cho qu¸ tr×nh oxy ho¸ ghÐp ®«i metan. Trong qu¸ tr×nh ph¶n øng cã sù chuyÓn tõ d¹ng PbO sang Pb do metan vµ sau ®ã l¹i bÞ oxy ho¸ trë l¹i thµnh PbO do oxy kh«ng khÝ cã mÆt trong hçn hîp ph¶n øng. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 193 Ch−¬ng XI Çc c«ng nghÖ chuyÓn ho¸ Metan thμnh khÝ tæng hîp XI.1. C¬ chÕ qu¸ tr×nh Qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ khÝ tù nhiªn thµnh khÝ tæng hîp ®ßi hái nh÷ng ®iÒu kiÖn rÊt nghiªm ngÆt. Tuú theo môc ®Ých sö dông khÝ tæng hîp ®Ó tæng hîp çc s¶n phÈm cô thÓ mµ ®iÒu chØnh tû lÖ çc cÊu tö chÝnh cña hçn hîp khÝ tæng hîp cho phï hîp. B¶ng XI.1 ®−a ra çc tû lÖ cÊu tö thÝch hîp cho mét vµi qu¸ tr×nh tæng hîp c¬ b¶n. B¶ng XI.1. Tû lÖ mol cÊu tö thÝch hîp cho mét sè qu¸ tr×nh c¬ b¶n Tû lÖ mol çc cÊu tö Tæng hîp H2 CO N2 NH 3 3 0 1 CH 3 OH 2 1 0 Fischer - Tropsch 2 1 0 Oxo 1 1 0 Cã bèn ph¶n øng chÝnh, quan träng trong qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ metan thµnh khÝ tæng hîp. Ph¶n øng thø nhÊt lµ ph¶n øng chuyÓn ho¸ b»ng h¬i n−íc (steam reforming), ph¶n øng thu nhiÖt m¹nh: CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 − 206,8 kJ/mol Tõ ph−¬ng tr×nh ph¶n øng trªn cã thÓ nhËn thÊy s¶n phÈm khÝ tæng hîp rÊt giµu H 2 . Hçn hîp nµy rÊt phï hîp ®Ó tæng hîp metanol. Ngoµi ra còng cã mét phÇn metan chuyÓn ho¸ thµnh CO2 theo ph¶n øng sau: CH 4 + 2H 2 O CO 2 + 4H 2 − 166,3 kJ/mol §Ó tæng hîp amoniac, chØ cÇn quan t©m ®Õn H 2 vµ b»ng ph¶n øng chuyÓn ho¸ tiÕp tôc CO b»ng h¬i n−íc thµnh CO 2 vµ H 2 theo ph¶n øng sau: CO + H 2 O 194 CO2 + H 2 + 40,5 kJ/mol http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Ph¶n øng nµy lµ ph¶n øng to¶ nhiÖt. Ph¶n øng thø t− lµ ph¶n øng oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn metan b»ng oxy: CH 4 + 0,5O 2 CO + 2H2 + 35,7 kJ/mol Ph¶n øng nµy còng lµ ph¶n øng to¶ nhiÖt. Trong ch−¬ng nµy sÏ lÇn l−ît nghiªn cøu çc s¬ ®å c«ng nghÖ c¬ b¶n ®Ó thùc hiÖn qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ metan thµnh khÝ tæng hîp. XI.2. Çc qu¸ tr×nh c«ng nghÖ c¬ b¶n XI.2.1. C«ng nghÖ chuyÓn ho¸ b»ng h¬i n−íc §©y lµ c«ng nghÖ ®−îc sö dông rÊt phæ biÕn trong qu¸ tr×nh tæng hîp amoniac vµ tæng hîp metanol. S¬ ®å nguyªn lý cña qu¸ tr×nh nh− trªn h×nh XI.1. H¬i n−íc ThiÕt bÞ chuyÓn ho¸ T¸ch S KhÝ tæng hîp KhÝ tù nhiªn KhÝ th¶i Nhiªn liÖu Kh«ng khÝ H×nh XI.1. S¬ ®å c«ng nghÖ chuyÓn ho¸ khÝ tù nhiªn b»ng h¬i n−íc KhÝ tù nhiªn sau khi lo¹i bá çc hîp chÊt chøa l−u huúnh vµ h¬i n−íc ®−îc hçn hîp vµ gia nhiÖt theo tû lÖ mol H 2 O/CH 4 trong kho¶ng 1,5 ... 3 tuú thuéc vµo môc ®Ých sö dông khÝ tæng hîp ë c«ng ®o¹n sau. Hçn hîp khÝ ®−îc dÉn qua èng cã ®−êng kÝnh 10 ... 15 cm, cã chøa xóc t¸c niken. PhÝa ngoµi èng ph¶n øng ®−îc ®èt nãng ®Ó cung cÊp nhiÖt cÇn http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 195 thiÕt cho qu¸ tr×nh ph¶n øng. NhiÖt ®é ®−îc khèng chÕ trong kho¶ng 750 ... 900 0 C phô thuéc vµo môc ®Ých sö dông khÝ tæng hîp. NhiÖt ®é thÊp sö dông khi sù chuyÓn ho¸ cña metan kh«ng cÇn giíi h¹n, vÝ dô nh− khÝ tæng hîp ®−îc sö dông ®Ó tæng hîp NH3 . Trong tr−êng hîp nµy ¸p suÊt yªu cÇu 3,5 ... 4 MPa. NhiÖt ®é cao h¬n ¸p dông khi sù chuyÓn ho¸ metan cÇn ph¶i khèng chÕ giíi h¹n. Khi nµy ¸p suÊt ®ßi hái thÊp h¬n, 1,8 ... 2 MPa. KhÝ tæng hîp sau khi ®−îc lµm l¹nh ng−ng tô h¬i n−íc d−, ®−îc nÐn ®Õn ¸p suÊt cÇn thiÕt. VÝ dô ®Ó tæng hîp metanol cÇn nÐn tíi ¸p suÊt 8 ... 10 MPa. C«ng ®o¹n nµy cÇn tiªu tèn n¨ng l−îng. Víi nhµ m¸y 2500 tÊn metanol/ngµy, c«ng ®o¹n nÐn cÇn 30 ... 35 MW. T¹i nhµ m¸y nµy sè èng ph¶n øng cÇn tíi kho¶ng 600 ... 1000 èng, vµ nh− vËy rÊt tèn kÐm. Tuy nhiªn, qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ b»ng h¬i n−íc kh«ng cÇn tíi oxy do ®ã kh«ng cÇn ®Õn nhµ m¸y s¶n xuÊt oxy. H ng Haldor Topsoe (§an M¹ch) sö dông c«ng nghÖ chuyÓn ho¸ b»ng h¬i n−íc ®Ó s¶n xuÊt khÝ tæng hîp phôc vô cho c«ng nghÖ tæng hîp metanol vµ tæng hîp amoniac (h×nh XI.2). CO 2 H¬i n−íc KhÝ tù nhiªn 2 1 3 KhÝ th¶i Nhiªn liÖu KhÝ tæng hîp H×nh XI.2. S¬ ®å c«ng nghÖ chuyÓn ho¸ b»ng h¬i n−íc cña h·ng Haldor Topsoe S¬ ®å trªn h×nh XI.2 m« t¶ c«ng ®o¹n s¶n xuÊt khÝ tæng hîp gåm cã th¸p 1 t¸ch S trong nguyªn liÖu, th¸p 2 lµm Èm khÝ b»ng h¬i n−íc ®Õn tû lÖ cÇn 196 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn thiÕt, vµ thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ 3. Nguyªn liÖu hydrocacbon ®−îc chuyÓn ho¸ b»ng h¬i n−íc trªn xóc t¸c niken ®Æt trong çc èng ph¶n øng. ThiÕt bÞ chuyÓn ho¸ bao gåm çc èng chøa ®Çy xóc t¸c xÕp thµnh hµng, ®−îc ®èt nãng do bøc x¹ nhiÖt tõ thµnh lß. HÖ thèng ®Çu vµo vµ ra ®−îc thiÕt kÕ ®Æc biÖt ®Ó lµm viÖc ë nhiÖt ®é cao. NhiÖt ®é ®Çu vµo thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ cã thÓ lªn tíi 650 0 C, nhiÖt ®é ®Çu ra lµ 985 0 C. Tû lÖ mol h¬i n−íc trªn hydrocacbon trong kho¶ng 1 ®Õn 3,5 tuú thuéc vµo môc ®Ých sö dông khÝ tæng hîp ë çc c«ng ®o¹n sau. XI.2.2. C«ng nghÖ oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn kh«ng cÇn xóc t¸c Trong c«ng nghÖ nµy oxy vµ khÝ tù nhiªn ®−îc gia nhiÖt, hçn hîp vµ ®¸nh löa. Ph¶n øng chÝnh x¶y ra lµ ph¶n øng to¶ nhiÖt: CH 4 + 0,5O 2 CO + 2H2 + 35,7 kJ/mol S¶n phÈm ngoµi CO vµ H 2 , cã thÓ cßn cã CO2 vµ H 2 O. Sau ®ã çc ph¶n øng thu nhiÖt nh− qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ b»ng h¬i n−íc còng x¶y ra. NhiÖt ®é ph¶n øng 1000 ... 1100 0 C. KhÝ ë giai ®o¹n nµy gÇn víi c©n b»ng nhiÖt ®éng. Theo ph−¬ng tr×nh ph¶n øng trªn, tû lÖ O2 /CH 4 kho¶ng 0,5. Th−êng trong thùc tÕ cao h¬n 40 ... 50%, tøc lµ tû lÖ vµo kho¶ng 0,7 ... 0,75. S¬ ®å c«ng nghÖ qu¸ tr×nh oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn kh«ng cÇn xóc t¸c nh− trªn h×nh XI.3. Tuy nhiªn, nÕu nh− thiÕt bÞ vÒ mÆt nguyªn lý ®¬n gi¶n th× gi¸ cña c«ng ®o¹n s¶n xuÊt oxy l¹i lín ®¸ng kÓ. KhÝ tù nhiªn H¬i n−íc ThiÕt bÞ ph¶n øng ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt KhÝ tæng hîp Oxy H¬i n−íc T¸ch S H×nh XI.3. S¬ ®å c«ng nghÖ chuyÓn ho¸ kh«ng cã xóc t¸c http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 197 VÒ mÆt nguyªn t¾c, thùc hiÖn qu¸ tr×nh ë ¸p suÊt cao sÏ thuËn lîi vµ nh− vËy t¨ng thªm chi phÝ m¸y nÐn. Sù chuyÓn ho¸ metan ngay c¶ ë ¸p suÊt nµy còng kh«ng ®¸ng kÓ. Hçn hîp khÝ cã thÓ dïng ®Ó tæng hîp metanol. XI.2.3. Qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ cã xóc t¸c (Autothermic Reforming - ATR) Qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ cã xóc t¸c dùa trªn c¬ së ph¶n øng gi÷a khÝ tù nhiªn, h¬i n−íc vµ oxy. S¬ ®å c«ng nghÖ qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ cã xóc t¸c nh− trªn h×nh XI.4. KhÝ tù nhiªn Oxy H¬i n−íc KhÝ tæng hîp H×nh XI.4. S¬ ®å c«ng nghÖ chuyÓn ho¸ cã xóc t¸c Tr−íc hÕt hçn hîp qua lß gia nhiÖt s¬ bé, sau ®ã qua thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ cã chøa xóc t¸c Ni ë nhiÖt ®é cao. Qu¸ tr×nh bao gåm c¶ çc ph¶n øng thu nhiÖt vµ çc ph¶n øng to¶ nhiÖt cña c¶ hai qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ b»ng h¬i n−íc vµ qu¸ tr×nh oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn ® m« t¶ ë trªn. Qu¸ tr×nh cã xóc t¸c ho¹t tÝnh cao dÉn ®Õn t¹o thµnh mét l−îng ®¸ng kÓ CO 2 trong s¶n phÈm. V× vËy cÇn t¸ch CO 2 khái hçn hîp khÝ tæng hîp tr−íc khi ®−a ®i sö dông. Qu¸ tr×nh yªu cÇu ¸p suÊt cao h¬n qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ b»ng h¬i n−íc, tiªu tèn n¨ng l−îng thÊp h¬n cho qu¸ tr×nh nÐn, vµ cã thÓ sö dông ngay cho qu¸ tr×nh tæng hîp metanol. H ng Howe Baker Engineers sö dông c«ng nghÖ chuyÓn ho¸ tù nhiÖt b»ng h¬i n−íc ®Ó s¶n xuÊt khÝ tæng hîp cã ®é tinh khiÕt cao lµm nguyªn liÖu cho tæng hîp çc hîp chÊt h÷u c¬. S¬ ®å c«ng nghÖ m« t¶ trªn h×nh XI.5. 198 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn O2 H¬i n−íc KhÝ tù nhiªn CO 2 tuÇn hoµn (kh«ng b¾t buéc) 1 3 2 CO thµnh phÈm 4 KhÝ tæng hîp 5 6 H 2 thµnh phÈm H×nh XI.5. S¬ ®å c«ng nghÖ ATR cña h·ng Howe Baker Engineers 1. ThiÕt bÞ gia nhiÖt; 2. Th¸p t¸ch S; 3. ThiÕt bÞ chuyÓn ho¸ ATR; 4. ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt; 5. Th¸p t¸ch CO 2 ; 6. ThiÕt bÞ tinh chÕ vµ ph©n t¸ch riªng CO vµ H 2 . Nguyªn liÖu sau khi gia nhiÖt s¬ bé t¹i thiÕt bÞ gia nhiÖt 1 ®−îc lo¹i bá çc hîp chÊt chøa l−u huúnh t¹i thiÕt bÞ 2, sau ®ã trén hçn hîp víi h¬i n−íc vµ CO 2 tuÇn hoµn (nÕu cÇn). Hçn hîp khÝ ®−îc ®−a vµo thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ 3 chøa xóc t¸c. Ban ®Çu hçn hîp khÝ ®−îc ®èt ch¸y t¹i buång ®èt ë phÝa trªn cña thiÕt bÞ. Ph¶n øng oxy ho¸ mét phÇn x¶y ra t¹i vïng ch¸y, sau ®ã qua líp xóc t¸c tiÕp tôc chuyÓn ho¸ b»ng h¬i n−íc. Hçn hîp khÝ tæng hîp ®i ra khái thiÕt bÞ ATR cã nhiÖt ®é kho¶ng 1000 0 C ... 1100 0 C, sau khi lµm nguéi t¹i thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 4 ®−îc t¸ch CO 2 t¹i thiÕt bÞ t¸ch 5. Hçn hîp khÝ tæng hîp thµnh phÈm nhËn ®−îc bao gåm CO vµ H 2 cã thÓ dïng lµm nguyªn liÖu cho s¶n xuÊt mét sè hîp chÊt ho¸ häc nh− metanol vµ çc r−îu cao h¬n, còng cã thÓ ®−a ®i xö lý tiÕp (th−êng lµ ph©n t¸ch nhiÖt ®é thÊp) t¹i thiÕt bÞ t¸ch 6 ®Ó nhËn ®−îc tõng cÊu tö riªng biÖt CO vµ H2 cã ®é tinh khiÕt cao. CO 2 nhËn ®−îc tõ thiÕt bÞ t¸ch 5 cã thÓ cho tuÇn hoµn l¹i ®Ó ®iÒu chØnh tû lÖ H 2 /CO trong hçn hîp khÝ tæng hîp thµnh phÈm. NÕu sö dông nguyªn liÖu lµ khÝ tù nhiªn, tû lÖ H 2 /CO n»m trong kho¶ng tõ 2,7 (nÕu kh«ng tuÇn hoµn CO 2 ) ®Õn 1,6 (nÕu tuÇn hoµn toµn bé CO2 ). Trong c«ng nghÖ nµy kh«ng thÓ sö dông kh«ng khÝ lµm t¸c nh©n oxy ho¸ ban ®Çu v× N 2 sÏ lµm gi¶m ®é tinh khiÕt cña khÝ thµnh phÈm. C«ng nghÖ nµy sÏ cã gi¸ trÞ cao vÒ mÆt kinh tÕ nÕu nh− oxy cã s½n víi gi¸ rÎ. Trªn h×nh XI.6 lµ s¬ ®å c«ng nghÖ chuyÓn ho¸ tù nhiÖt b»ng h¬i n−íc cña h ng Haldor Topsoe. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 199 200 CO 2 tuÇn hoµn H¬i n−íc S¶n xuÊt h¬i n−íc KhÝ tù nhiªn 5 2 1 KhÝ tæng hîp 3 4 Condensat Oxy N−íc http://www.ebook.edu.vn H×nh XI.6. C«ng nghÖ chuyÓn ho¸ tù nhiÖt b»ng h¬i n−íc cña h·ng Haldor Topsoe 1. ThiÕt bÞ gia nhiÖt; 2. Th¸p t¸ch S; 3. ThiÕt bÞ chuyÓn ho¸ ATR; 4. ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt; 5. ThiÕt bÞ t¸ch CO 2 . Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn C«ng nghÖ nµy kÕt hîp c¶ hai qu¸ tr×nh oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn b»ng oxy vµ chuyÓn ho¸ b»ng h¬i n−íc trong thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ ATR víi líp xóc t¸c cè ®Þnh (xóc t¸c niken). S¬ ®å bao gåm thiÕt bÞ gia nhiÖt nguyªn liÖu ®Çu 1, th¸p 2 lo¹i bá çc hîp chÊt chøa l−u huúnh tr¸nh ngé ®éc xóc t¸c (nÕu nguyªn liÖu cã hµm l−îng çc hîp chÊt chøa l−u huúnh thÊp d−íi møc cho phÐp th× cã thÓ kh«ng cÇn th¸p nµy), thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ tù nhiÖt 3 (gåm ®Ìn ®èt, phßng ®èt vµ tÇng xóc t¸c niken), thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 4 tËn dông nhiÖt cña s¶n phÈm ®Ó s¶n xuÊt h¬i n−íc, th¸p t¸ch 5 ®Ó t¸ch lo¹i CO 2 . §Ìn ®èt cña thiÕt bÞ ATR ®−îc lµm b»ng hîp kim chÞu nhiÖt ®é cao vµ cã ®é bÒn chèng mµi mßn c¬ häc b¶o ®¶m tuæi thä l©u dµi trong qu¸ tr×nh lµm viÖc cña thiÕt bÞ. S¶n phÈm cña qu¸ tr×nh lµ khÝ tæng hîp cã tû lÖ cÇn thiÕt, hoÆc khÝ CO vµ H 2 tinh khiÕt phôc vô cho s¶n xuÊt metanol, amoniac hoÆc nhiªn liÖu tæng hîp . XI.2.4. Qu¸ tr×nh tæ hîp §«i khi yªu cÇu cÇn ph¶i khèng chÕ chÆt chÏ tû lÖ O 2 /CO trong khÝ tæng hîp, hoÆc t¨ng ¸p suÊt ®ång thêi tiÕt kiÖm oxy, trong tr−êng hîp ®ã ng−êi ta sö dông qu¸ tr×nh tæ hîp gåm cã thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ s¬ cÊp vµ thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ thø cÊp. Trong thiÕt bÞ ph¶n øng s¬ cÊp, khÝ tù nhiªn ®−îc chuyÓn ho¸ b»ng mét dßng h¬i n−íc t−¬ng ®èi nhá, sau ®ã hçn hîp ® chuyÓn ho¸ mét phÇn ®i vµo thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ thø cÊp cã xóc t¸c thùc hiÖn tiÕp qu¸ tr×nh tù nhiÖt nhê dßng oxy bæ sung tõ phÝa trªn cña thiÕt bÞ. S¬ ®å c«ng nghÖ qu¸ tr×nh tæ hîp ®−îc m« t¶ trªn h×nh XI.7. Oxy KhÝ tù nhiªn H¬i n−íc ThiÕt bÞ ph¶n øng s¬ cÊp ThiÕt bÞ ph¶n øng thø cÊp KhÝ tæng hîp H×nh XI.7. S¬ ®å c«ng nghÖ qu¸ tr×nh tæ hîp http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 201 §Ó tæng hîp amoniac, ®©y lµ mét qu¸ tr×nh rÊt phï hîp khi sö dông oxy kh«ng khÝ trong thiÕt bÞ thø cÊp víi tû lÖ O2 /H 2 lµ 3. Trong tr−êng hîp nµy CO chuyÓn ho¸ tiÕp nhê h¬i n−íc thµnh CO 2 vµ H 2 theo ph¶n øng: CO + H 2 O CO 2 + H 2 Sau ®ã CO 2 ®−îc t¸ch ra. Trong tr−êng hîp d− nit¬, cã thÓ bæ sung oxy víi tû lÖ trong kho¶ng 0,35 ... 0,45 nhá h¬n trong qu¸ tr×nh oxy ho¸ kh«ng xóc t¸c vµ oxy ho¸ cã xóc t¸c. ThuËn lîi c¬ b¶n cña qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ tæ hîp lµ ¸p suÊt cã thÓ t¨ng tíi 3,5 ... 4,5 MPa do sù gi¶m nhiÖt ®é ®Çu ra cña giai ®o¹n chuyÓn ho¸ s¬ cÊp. §iÒu ®ã dÉn ®Õn c«ng suÊt m¸y nÐn ®−îc gi¶m 50% so víi qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ b»ng h¬i n−íc. KhÝ tæng hîp nhËn ®−îc nhê qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ tæ hîp nµy cã tû lÖ thµnh phÇn thÝch hîp cho qu¸ tr×nh tæng hîp amoniac, tæng hîp metanol. XI.3. Çc qu¸ tr×nh c«ng nghÖ ph¸t triÓn Qua bèn qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ c¬ b¶n ® xÐt ë trªn, cÇn l−u ý r»ng sù truyÒn nhiÖt thùc hiÖn ë nhiÖt ®é cao. §iÒu ®ã rÊt tèn kÐm vµ th−êng l ng phÝ n¨ng l−îng. Trong qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ b»ng h¬i n−íc, cÇn lß réng víi sè l−îng lín èng ph¶n øng, cã thÓ tíi hµng ngµn èng ®Ó chøa xóc t¸c, vµ vÊn ®Ò cung cÊp n¨ng l−îng cÇn thiÕt cho qu¸ tr×nh còng kh¸ lín. Trong ba qu¸ tr×nh ®Çu cÇn cã l−îng h¬i n−íc qu¸ nhiÖt rÊt lín ®Ó lµm nguéi dßng khÝ sau ph¶n øng cã nhiÖt ®é tíi 1000 ... 1100 0 C khi ra khái thiÕt bÞ chuyÓn ho¸. §iÒu nµy còng dÉn ®Õn vÊn ®Ò vËt liÖu chÞu ®−îc ¸p suÊt cao, nhiÖt ®é cao vµ chªnh lÖch nhiÖt ®é kh¸ lín ®Ó chÕ t¹o thiÕt bÞ. Qu¸ tr×nh tæ hîp hÊp dÉn h¬n c¶ vÒ ph−¬ng diÖn n¨ng l−îng vµ vËt liÖu chÕ t¹o thiÕt bÞ. Cã thÓ sö dông n¨ng l−îng tõ s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ thø cÊp (giai ®o¹n 2) ®Ó gia nhiÖt cho qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ s¬ cÊp b»ng h¬i n−íc (giai ®o¹n 1). Cã hai c«ng nghÖ ph¸t triÓn trªn c¬ së nguyªn lý nµy. §ã lµ: − Qu¸ tr×nh UHDE’s CAR (Combined Autothermal Reforming). − Qu¸ tr×nh ICI’s GHR (Gas Heated Reforming). C¶ hai c«ng nghÖ kÓ trªn cã gi¸ trÞ cao vÒ mÆt kinh tÕ ë chç chóng ®Òu dùa trªn quan ®iÓm nh»m gi¶m gi¸ thµnh ®Çu t− vµ chi phÝ s¶n xuÊt cÇn thiÕt cho nhµ m¸y s¶n xuÊt khÝ tæng hîp. 202 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn XI.3.1. C«ng nghÖ CAR cña h·ng UHDE S¬ ®å c«ng nghÖ ®−îc m« t¶ trªn h×nh XI.8. KhÝ tù nhiªn vµ h¬i n−íc ®i vµo phÝa trªn cña èng chuyÓn ho¸ s¬ cÊp cã n¹p ®Çy xóc t¸c niken, t¹i ®©y thùc hiÖn qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ b»ng h¬i n−íc. KhÝ oxy cã bæ sung mét phÇn khÝ tù nhiªn ®−îc dÉn vµo ®¸y cña thiÕt bÞ chuyÓn ho¸, hçn hîp víi khÝ ® chuyÓn ho¸ mét phÇn trong thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ b»ng h¬i n−íc, chuyÓn ®éng ng−îc chiÒu phÝa bªn ngoµi èng chuyÓn ho¸ vµ ®−îc tiÕp tôc chuyÓn ho¸ b»ng oxy cho ®Õn khi ®−îc ®−a ra ngoµi. Qu¸ tr×nh thùc hiÖn ë ¸p suÊt cao, cã thÓ tõ 4 ®Õn 5 MPa. KhÝ tù nhiªn + H¬i n−íc KhÝ tæng hîp Oxy H×nh XI.8. S¬ ®å c«ng nghÖ qu¸ tr×nh UHDE NÕu s¶n phÈm khÝ tæng hîp ®−îc sö dông ®Ó s¶n xuÊt metanol hoÆc amoniac th× sÏ kh«ng cÇn c«ng ®o¹n nÐn tr−íc khi ®−a hçn hîp khÝ vµo th¸p tæng hîp. HÖ thèng èng ph¶n øng còng rÎ tiÒn h¬n qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ h¬i n−íc th«ng th−êng. Lý do lµ v× sù chªnh lÖch ¸p suÊt trªn thµnh èng ph¶n øng s¬ cÊp rÊt nhá, kh«ng cÇn ph¶i chÞu ¸p suÊt cao, èng cã thÓ máng víi träng l−îng nhá lµ ®ñ. §ång thêi sù chªnh lÖch nhiÖt ®é trªn thµnh èng ph¶n øng s¬ cÊp còng kh«ng lín, do ®ã còng kh«ng cÇn ph¶i sö dông vËt liÖu ®Æc biÖt. §iÒu ®ã cã ý nghÜa rÊt lín, lµm gi¶m ®¸ng kÓ khèi l−îng vËt liÖu cÇn thiÕt sö dông ®Ó chÕ t¹o thiÕt bÞ, gi¶m gi¸ thµnh chi phÝ chÕ t¹o vµ l¾p ®Æt thiÕt bÞ, kÐo dµi thêi gian lµm viÖc cña thiÕt bÞ chuyÓn ho¸. Víi cÊu t¹o thiÕt bÞ nh− m« t¶ trªn h×nh XI.8, qu¸ tr×nh tËn dông ®−îc n¨ng l−îng cña qu¸ tr×nh chuyÓn hãa s¬ cÊp cho qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ thø cÊp, nh− vËy gi¶m ®¸ng kÓ tiªu hao n¨ng l−îng cÇn thiÕt cho c¶ qu¸ tr×nh. XI.3.2. C«ng nghÖ GHR cña h·ng ICI S¬ ®å c«ng nghÖ qu¸ tr×nh ICI ®−îc m« t¶ trªn h×nh XI.9. Hai thiÕt bÞ ph¶n øng ®Æt trong thïng riªng biÖt çch nhiÖt tèt víi m«i tr−êng xung quanh, n¨ng l−îng cña khÝ tõ thiÕt bÞ thø cÊp dïng ®Ó gia nhiÖt cho thiÕt bÞ s¬ cÊp. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 203 Oxy KhÝ tù nhiªn + h¬i n−íc ThiÕt bÞ ph¶n øng s¬ cÊp ThiÕt bÞ ph¶n øng thø cÊp KhÝ tæng hîp H×nh XI.9. S¬ ®å c«ng nghÖ qu¸ tr×nh GHR cña ICI Chªnh lÖch ¸p suÊt trªn thµnh thiÕt bÞ ph¶n øng kh«ng ®¸ng kÓ, cho nªn thiÕt bÞ cã thÓ máng, nhÑ vµ gi¸ thµnh chi phÝ cho chÕ t¹o thiÕt bÞ thÊp. KÝch th−íc cña thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ s¬ cÊp rÊt nhá, sè èng chØ b»ng 1/4 sè èng cña qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ h¬i n−íc th«ng th−êng. Qu¸ tr×nh truyÒn nhiÖt cã hiÖu qu¶ h¬n nhê thùc hiÖn ë ¸p suÊt cao. Qu¸ tr×nh truyÒn nhiÖt do ®èi l−u trong thÓ tÝch cña thïng chøa thiÕt bÞ. Trong thiÕt bÞ GHR cã thÓ sö dông ¸p suÊt t−¬ng ®èi cao, phï hîp víi qu¸ tr×nh tæng hîp metanol vµ tæng hîp amoniac sau nµy. Trong c¶ hai c«ng nghÖ CAR vµ GHR ®Òu tËn dông nhiÖt cña qu¸ tr×nh thø cÊp ®Ó gia nhiÖt cho qu¸ tr×nh s¬ cÊp. V× vËy kh«ng cÇn thiÕt ph¶i nÐn khÝ nguyªn liÖu vµo ë ¸p suÊt cao. GHR ® ®−îc l¾p ®Æt ë hai nhµ m¸y tæng hîp amoniac ë Anh. Trong çc nhµ m¸y nµy oxy lÊy tõ kh«ng khÝ, s¶n phÈm phô cña nhµ m¸y s¶n xuÊt amoniac. XI.4. So s¸nh vÒ n¨ng l−îng vμ gi¸ c¶ B¶ng XI.2 d−íi ®©y cho çc sè liÖu so s¸nh t−¬ng ®èi gi÷a tiªu tèn n¨ng l−îng, nguyªn liÖu, CO2 vµ gi¸ t−¬ng ®èi, coi gi¸ thµnh tÝnh theo qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ theo h¬i n−íc lµ 100. Nguyªn liÖu lµ khÝ kh«, khÝ ®ång hµnh (nÕu khÝ bÐo th× kÕt qu¶ sÏ kh¸c v× çc t¹p chÊt vµ çc hydrocacbon cao sÏ ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ thµnh khÝ tæng hîp). Sè liÖu ®−a ra víi nhµ m¸y tæng hîp metanol quy m« 2500 tÊn/ngµy. 204 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn B¶ng XI.2. So s¸nh çc c«ng nghÖ chuyÓn ho¸ khÝ tæng hîp ChuyÓn ho¸ ChuyÓn ho¸ ChuyÓn ho¸ C«ng nghÖ C«ng ChØ tiªu (cho 1 tÊn CH3OH) b»ng h¬i n−íc kh«ng xóc t¸c cã xóc t¸c tæ hîp nghÖ míi KhÝ tù nhiªn, m 3 32 31,6 30,6 30 29-30 − 530 460 280 270−300 CO 2 .10 3 , MTPY* 380 375 355 290 250−270 Gi¸ t−¬ng ®èi 100 95 85-95 80-85 70−80 O2, m 3 * MTPY − triÖu tÊn /n¨m. TÊt c¶ çc qu¸ tr×nh nªu trªn cã thÓ ¸p dông ®Ó tæng hîp metanol, amoniac vµ nhiªn liÖu tæng hîp sau khi bæ sung chÝnh x¸c tû lÖ çc cÊu tö cÇn thiÕt trong thµnh phÇn khÝ nguyªn liÖu cho giai ®o¹n tæng hîp çc s¶n phÈm trªn. ViÖc lùa chän qu¸ tr×nh c«ng nghÖ tuú thuéc vµo møc ®é ph¸t triÓn cña ®Þa ph−¬ng, vµ nguån nguyªn liÖu t¹i chç, còng nh− çc yÕu tè vÒ m«i tr−êng vµ c¬ së h¹ tÇng. Theo ®¸nh gi¸ hiÖn nay th× khÝ tæng hîp sÏ lµ mét h−íng chÝnh ®Ó sö dông khÝ tù nhiªn trong t−¬ng lai. VÊn ®Ò lµ c¶i tiÕn, n©ng cao chÊt l−îng, gi¶m gi¸ thµnh vµ vèn ®Çu t− ban ®Çu. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 205 Ch−¬ng XII C«ng nghÖ tæng hîp Metanol Metanol, cßn gäi lµ metyl alcol hoÆc cacbinol hoÆc r−îu gç, cã c«ng thøc hãa häc lµ CH 3 OH, khèi l−îng ph©n tö 32,042. Metanol lµ r−îu ®¬n gi¶n nhÊt trong d y ®ång ®¼ng çc r−îu no ®¬n chøc. LÇn ®Çu tiªn vµo n¨m 1661, Robert Boyle ® thu ®−îc metanol sau khi cÊt giÊm gç b»ng s÷a v«i. Suèt trong kho¶ng tõ 1830 tíi 1923, ®ã lµ ph−¬ng ph¸p quan träng nhÊt ®Ó s¶n xuÊt metanol. N¨m 1857 Berthelot còng ® tæng hîp ®−îc metanol b»ng çch xµ phßng hãa metyl clorua. Tíi kho¶ng n¨m 1923 metanol ® ®−îc s¶n xuÊt b»ng ph−¬ng ph¸p tæng hîp tõ CO vµ H 2 . Qu¸ tr×nh nµy ® dÇn dÇn thay thÕ ph−¬ng ph¸p ch−ng tõ gç vµ cho tíi ngµy nay lµ ph−¬ng ph¸p chñ yÕu ®Ó s¶n xuÊt metanol trong c«ng nghiÖp Metanol lµ mét trong nh÷ng nguyªn liÖu vµ dung m«i quan träng nhÊt cho c«ng nghiÖp hãa häc. Metanol cßn ®−îc coi lµ nhiªn liÖu lý t−ëng trong lÜnh vùc n¨ng l−îng v× ch¸y hoµn toµn vµ kh«ng g©y « nhiÔm m«i tr−êng. XII.1. C«ng nghÖ tæng hîp metanol trùc tiÕp tõ metan XII.1.1. Tæng hîp metanol b»ng çch oxy ho¸ trùc tiÕp metan Trùc tiÕp tæng hîp metanol vµ formaldehyt b»ng çch oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn metan lµ mét vÊn ®Ò rÊt khã kh¨n, bëi v× çc s¶n phÈm lµ metanol vµ formaldehyt dÔ bÞ oxy ho¸ h¬n metan. V× vËy thêi gian tiÕp xóc cÇn ph¶i rÊt ng¾n, vµo kho¶ng vµi gi©y. Ph¶n øng oxy ho¸ metan x¶y ra theo c¬ chÕ chuçi gèc. Çc ph¶n øng cã thÓ x¶y ra trªn bÒ mÆt xóc t¸c hoÆc trong pha h¬i: CH 3 • + O CH 3 O CH 3 O • • • CH 3 O + CH 4 (1) HCHO + H • (2) CH 3 OH + CH 3 • (3) H»ng sè tèc ®é çc ph¶n øng ®øt liªn kÕt víi nguyªn tö hydro nh− sau: k H = 0,0349; k CH = 0,0392; k C 2 4 H 2 6 = 1,59; k C H 3 8 = 12,17 Çc gèc tù do CH 3 • vµ O • bÞ hÊp phô trªn bÒ mÆt xóc t¸c cã thÓ t¹o 206 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn thµnh HCHO theo çc ph¶n øng (1) vµ (2). Trªn xóc t¸c niken còng cã thÓ x¶y ra ph¶n øng cña metan víi CO 2 t¹o thµnh formaldehyt: CH 4 + CO 2 2HCHO (4) 0 Qu¸ tr×nh ®−îc thùc hiÖn ë ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é 400 ... 700 C, vµ ¸p suÊt trong kho¶ng 0,1 ... 0,15 MPa. Cã nhiÒu hÖ xóc t¸c ® ®−îc nghiªn cøu: molypdat bismut: BiMoO 4 , pentoxit vanadi V 2 O 5 (kh«ng dïng chÊt mang) vµ çc hÖ xóc t¸c víi cÊu tö ho¹t tÝnh lµ Na, MoO 3 mang trªn chÊt mang lµ cabosit hoÆc aerosit, çc kim lo¹i: Fe, Ni, Cu, Pd... hoÆc çc oxit cña chóng, hoÆc hçn hîp çc oxit, hoÆc hçn hîp oxit vµ kim lo¹i, nh«m sunfat vµ çc alkyl ete... Tuú thuéc vµo ®iÒu kiÖn tiÕn hµnh ph¶n øng mµ s¶n phÈm chÝnh cã thÓ lµ metanol hay formaldehyt. ë ®iÒu kiÖn ¸p suÊt thÊp, qu¸ tr×nh ph©n huû trùc tiÕp gèc CH 3 O • x¶y ra thuËn lîi theo ph¶n øng (2), s¶n phÈm chÝnh nhËn ®−îc lµ formaldehyt. ë ®iÒu kiÖn ¸p suÊt riªng phÇn cña metan cao, do va ch¹m gi÷a çc gèc vµ ph©n tö metan x¶y ra nhiÒu h¬n, v× thÕ s¶n phÈm chÝnh nhËn ®−îc lµ metanol theo ph¶n øng (3) chiÕm −u thÕ. Ph−¬ng ph¸p tæng hîp metanol b»ng çch oxy hãa trùc tiÕp metan b»ng oxy kh«ng khÝ cã mÆt xóc t¸c ®−îc ®−a ra s¶n xuÊt c«ng nghiÖp t¹i §øc tõ n¨m 1925. Nhµ m¸y ®Çu tiªn ®−îc x©y dùng vµo n¨m 1926 t¹i Tallant − Okla. Çc nhµ m¸y kh¸c còng ®−îc x©y dùng t¹i Seminole vµ Oklahoma City nh−ng ®Òu ® ngõng ho¹t ®éng tõ tr−íc n¨m 1956. Çc s¶n phÈm chñ yÕu t¹o thµnh tõ qu¸ tr×nh oxy hãa trùc tiÕp hydrocarbon parafin khÝ lµ: metanol, formaldehyt, axetaldehyt, axeton vµ mét l−îng nhá çc axit, r−îu cao h¬n, çc aldehyt vµ xeton kh¸c. Tû lÖ çc s¶n phÈm nhËn ®−îc phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn ¸p suÊt, nhiÖt ®é vµ thµnh phÇn nguyªn liÖu. Çc ph¶n øng x¶y ra ®Òu táa nhiÖt, do ®ã cÇn gi÷ ë nhiÖt ®é thÊp. Nãi chung hiÖu suÊt s¶n phÈm metanol t¨ng khi ¸p suÊt t¨ng. Thêi gian ph¶n øng tuú thuéc vµo çc ®iÒu kiÖn tiÕn hµnh kh¸c nh−ng nãi chung ®−îc gi÷ t−¬ng ®èi ng¾n ®Ó h¹n chÕ qu¸ tr×nh oxy hãa s©u thµnh H2 O vµ CO 2 . S¬ ®å c«ng nghÖ qu¸ tr×nh oxy ho¸ trùc tiÕp metan ®Ó s¶n xuÊt metanol xem ë h×nh XII.1. Hçn hîp khÝ hydrocarbon ®−îc nÐn tíi ¸p suÊt 30 atm, gia nhiÖt s¬ bé tíi 450 0 C ... 470 0 C råi trén víi kh«ng khÝ nÐn hoÆc oxy víi mét tû lÖ x¸c ®Þnh. Hçn hîp ph¶n øng ®i qua lß oxy hãa cã thÓ cã hoÆc kh«ng chøa xóc t¸c. Thêi gian ph¶n øng trong kho¶ng tõ 0,25 tíi 4 gi©y. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 207 208 KhÝ tuÇn hoµn KhÝ lµm nhiªn liÖu N−íc M¸y nÐn Axetaldehyt Th¸p hÊp thô 1 2 3 Hydrocarbon khÝ Gia nhiÖt Lß oxy hãa 4 Lµm l¹nh 5 Th¸p ph©n ly Kh«ng khÝ hoÆc oxy M¸y nÐn Th¸p c« ®Æc formaldehyt Çc th¸p ph©n ly vµ tinh chÕ s¶n phÈm http://www.ebook.edu.vn Formaldehyt 37% PhÇn nÆng N−íc H×nh XII.1 . Tæng hîp metanol b»ng ph−¬ng ph¸p oxy hãa trùc tiÕp hydrocacbon 1. Axeton; 2. Metanol; 3. R−îu izo-propylic; 4. R−îu n-propylic; 5. R−îu butylic. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 218 N−íc H¬i n−íc Oxy H¬i n−íc ¸p suÊt cao 5 Ch−ng cÊt 6 KhÝ tù nhiªn KhÝ th¶i 3 4 7 8 1 8 8 2 N−íc http://www.ebook.edu.vn Nhiªn liÖu KhÝ tuÇn hoµn H×nh XII.3. S¬ ®å c«ng nghÖ tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp cña h·ng Haldor Topsoe Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 9 Trao ®æi nhiÖt n−íc Metanol Çc s¶n phÈm ®−îc hÊp thô trong th¸p röa b»ng n−íc, t¹i ®ã çc khÝ ch−a ph¶n øng cã thÓ ®−îc tuÇn hoµn vÒ thiÕt bÞ xö lý ®Ó ®−a sang hÖ thèng ph©n phèi nhiªn liÖu. Çc thµnh phÇn kh¸c cña dung dÞch n−íc ®−îc t¸ch vµ tinh chÕ thµnh çc s¶n phÈm riªng biÖt b»ng nh÷ng ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau nh−: trÝch ly láng - láng, ch−ng ph©n ®o¹n, ch−ng ®¼ng phÝ, ch−ng trÝch ly. XII.1.2. Xµ phßng hãa metyl clorua S¶n xuÊt metanol tõ metan qua metyl clorua lµ ph−¬ng ph¸p ®Çu tiªn tæng hîp metanol. Qu¸ tr×nh clo hãa metan ®−îc thùc hiÖn nhê t¸c nh©n Cl 2 hoÆc HCl vµ oxy kh«ng khÝ. Sau ®ã s¶n phÈm metyl clorua ®−îc xµ phßng hãa b»ng s«®a kiÒm. Tuy nhiªn ph−¬ng ph¸p nµy kh«ng cßn ý nghÜa thùc tÕ v× hiÖn nay hÇu hÕt metyl clorua ®−îc s¶n xuÊt tõ metanol. XII.2. C«ng nghÖ s¶n xuÊt metanol tõ khÝ tæng hîp XII.2.1. C¬ së ho¸ lý cña qu¸ tr×nh c«ng nghÖ tæng hîp metanol Metanol ®−îc s¶n xuÊt tõ khÝ tæng hîp theo çc ph¶n øng: ΔH 300K = −90,77 kJ/mol (1) CO + 2H 2 CH 3 OH CO 2 + 3H 2 CH 3 OH + H 2 O ΔH 300K = −49,16 kJ/mol (2) Çc ph¶n øng trªn ®Òu to¶ nhiÖt vµ kÌm theo sù gi¶m thÓ tÝch. Do ®ã, h−íng t¹o thµnh metanol sÏ thuËn lîi nÕu t¨ng ¸p suÊt vµ gi¶m nhiÖt ®é, ®é chuyÓn ho¸ cùc ®¹i ®−îc x¸c ®Þnh bëi thµnh phÇn c©n b»ng. Ngoµi hai ph¶n øng t¹o thµnh metanol ë trªn cßn x¶y ra ph¶n øng thu nhiÖt sau: CO 2 + H 2 CO + H 2 O ΔH 300K = 41,21 kJ/mol (3) §Ó ®¬n gi¶n, çc ph¶n øng (1) vµ (3) cã thÓ coi lµ çc ph¶n øng ®éc lËp. Sù chuyÓn ho¸ cña CO 2 thµnh metanol sÏ lµ kÕt qu¶ tæng céng cña çc ph¶n øng ®ã. Vµ h»ng sè c©n b»ng K 2 ®−îc biÓu diÔn nh− sau: K 2 = K 1 .K 3 Khi cÇn tÝnh to¸n cô thÓ çc h»ng sè c©n b»ng ®−îc x¸c ®Þnh b»ng çc ph−¬ng tr×nh d−íi ®©y: ⎡ f CH OH 3 K1 = ⎢ ⎢⎣ f CO . f H22 ⎤ ⎡ ϕ CH OH 3 ⎥=⎢ ⎥⎦ ⎢⎣ ϕ CO .ϕ H2 2 ⎤ ⎡ PCH OH 3 ⎥⋅⎢ ⎥⎦ ⎢⎣ PCO . PH22 ⎤ ⎥ = K ϕ .K P 1 1 ⎥⎦ ⎡ f CO . f H 2O ⎤ ⎡ ϕ CO .ϕ H 2O ⎤ ⎡ PCO .PH 2O ⎤ K3 = ⎢ ⎥ = K ϕ3 . K P3 ⎥⋅⎢ ⎥=⎢ ⎢⎣ f CO2 . f H 2 ⎥⎦ ⎢⎣ ϕ CO2 .ϕ H 2 ⎥⎦ ⎢⎣ PCO2 . PH 2 ⎥⎦ http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 209 trong ®ã f i lµ fugat, ϕ i lµ hÖ sè fugat vµ P i lµ ¸p suÊt riªng phÇn cña cÊu tö thø i. HiÖn nay metanol ®−îc s¶n xuÊt trong c«ng nghiÖp chñ yÕu b»ng ph−¬ng ph¸p chuyÓn ho¸ tõ khÝ tæng hîp. Ng−êi ta ph©n lo¹i theo ¸p suÊt tiÕn hµnh qu¸ tr×nh tæng hîp nh− sau: ♦ Qu¸ tr×nh ¸p suÊt cao 25 ... 30 MPa ♦ Qu¸ tr×nh ¸p suÊt trung b×nh 10 ... 25 MPa ♦ Qu¸ tr×nh ¸p suÊt thÊp 5 ... 10 MPa §é chuyÓn ho¸ cña CO 2 vµ CO khi ®¹t tíi tr¹ng th¸i c©n b»ng phô thuéc vµo ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é ®−îc ®−a ra trong b¶ng XII.1. Nguyªn liÖu ®−îc sö dông lµ khÝ tæng hîp nhËn ®−îc tõ qu¸ tr×nh reforming h¬i n−íc gåm 15% CO, 8% CO2 , 74% H 2 , 3% CH 4 . B¶ngXII.1. §é chuyÓn ho¸ CO 2 vµ CO ë ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é kh¸c nhau NhiÖt ®é 0 §é chuyÓn ho¸ CO §é chuyÓn ho¸ CO 2 C 5 MPa 10 MPa 30 MPa 5 MPa 10 MPa 30 MPa 200 96,3 99,0 99,9 28,6 83,0 99,5 250 73,0 90,6 99,0 14,4 45,1 92,4 300 25,4 60,7 92,8 14,1 22,3 71,0 350 −2,3 16,7 71,9 9,8 23,1 50,0 400 −12,8 7,3 34,1 27,7 29,3 40,0 Qu¸ tr×nh ¸p suÊt thÊp cã −u ®iÓm c¬ b¶n lµ vèn ®Çu t− vµ gi¸ thµnh s¶n phÈm thÊp, cã thÓ linh ho¹t lùa chän quy m« cña nhµ m¸y. V× vËy hiÖn nay hÇu hÕt çc nhµ m¸y s¶n xuÊt metanol trªn thÕ giíi sö dông c«ng nghÖ tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp. Ph¶n øng t¹o thµnh metanol lµ ph¶n øng xóc t¸c dÞ thÓ ®iÓn h×nh cã thÓ ®−îc m« t¶ b»ng c¬ chÕ hÊp phô − nh¶ hÊp phô. B¶n chÊt cña çc trung t©m ho¹t ®éng trong xóc t¸c Cu-ZnO-Al2 O 3 ë ®iÒu kiÖn c«ng nghiÖp vÉn ®ang ®−îc nghiªn cøu. Çc lo¹i t©m ho¹t ®éng trong qu¸ tr×nh tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp cã thÓ lµ sù ph©n t¸n cña ion Cu +1 trong pha ZnO. MÆt kh¸c cã dÊu hiÖu cho thÊy Cu 0 còng xóc tiÕn cho viÖc t¹o thµnh metanol. Thµnh phÇn khÝ nguyªn liÖu, ®Æc biÖt lµ tû lÖ CO 2 vµ H 2 O ®ãng vai trß quan träng trong viÖc x¸c ®Þnh ho¹t tÝnh vµ ®é chän läc cña xóc t¸c trong s¶n xuÊt metanol. Çc nghiªn cøu cßn cho thÊy cã nhiÒu h−íng t¹o thµnh metanol tõ CO hoÆc CO 2 trªn çc t©m ho¹t ®éng kh¸c nhau trong xóc t¸c. 210 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Al 2 O 3 tån t¹i trong xóc t¸c d−íi d¹ng v« ®Þnh h×nh. Chøc n¨ng cña Al 2 O 3 trong xóc t¸c Cu-ZnO-Al 2 O 3 bao gåm: • Chèng l¹i sù kÕt dÝnh çc h¹t Cu mÞn. • æ n ®Þnh sù ph©n t¸n cao cña hÖ xóc t¸c Cu-ZnO. • T¹o thµnh çc lç trèng trªn bÒ mÆt b»ng çch kÕt hîp Al 2 O 3 vµo m¹ng l−íi cña Cu. Trong ®ã chøc n¨ng nµo chiÕm −u thÕ trong qu¸ tr×nh tæng hîp metanol vÉn ch−a ®−îc x¸c ®Þnh râ rµng. Tuy nhiªn Al 2 O 3 ®ãng vai trß quan träng lµ chÊt ho¹t ho¸ cÊu tróc cho xóc t¸c Cu-ZnO b»ng çch c¶i thiÖn ®é bÒn c¬ vµ ho¹t tÝnh l©u dµi cña xóc t¸c. Nh÷ng nghiªn cøu vÒ ®éng häc gÇn ®©y tËp trung vai trß cña CO 2 trong tæng hîp metanol. Cho tíi nh÷ng n¨m ®Çu thËp kû 80 cña thÕ kû tr−íc, c¬ chÕ qu¸ tr×nh tËp trung chñ yÕu vµo qu¸ tr×nh hydro ho¸ CO thµnh metanol. Khi thªm CO2 lµm t¨ng hiÖu suÊt cña qu¸ tr×nh do sù dÞch chuyÓn c©n b»ng ®éng. H¬n n÷a CO2 ®−îc coi lµ cã ¶nh h−ëng tíi tr¹ng th¸i oxy ho¸ cña çc t©m ho¹t ®éng trong xóc t¸c. Ng−îc l¹i còng cã t¸c gi¶ cho r»ng metanol ®−îc t¹o thµnh chØ tõ CO2 theo ph−¬ng tr×nh ph¶n øng (2) ë trªn. Çc thÝ nghiÖm míi ®©y sö dông ph−¬ng ph¸p ®ång vÞ ®¸nh dÊu cho thÊy c¶ hai h−íng ph¶n øng ®Òu cã thÓ x¶y ra. Tuy nhiªn ph¶n øng chuyÓn ho¸ CO 2 chiÕm −u thÕ khi tæng hîp metanol quy m« lín trong c«ng nghiÖp. Trong qu¸ tr×nh s¶n xuÊt c«ng nghiÖp quy m« lín, cã thÓ x¶y ra çc ph¶n øng phô sau ®©y lµm ¶nh h−ëng ®Õn chÊt l−îng s¶n phÈm nhËn ®−îc. • R−îu cao h¬n ®−îc t¹o thµnh bëi xóc t¸c lµ çc vÕt kiÒm theo ph¶n øng: C n H 2n+1 OH + (n − 1)H 2 O nCO + 2nH 2 • Hydrocacbon vµ s¸p t¹o thµnh do xóc t¸c lµ çc vÕt s¾t, coban vµ niken theo qu¸ tr×nh Fischer - Tropsch: CO + 3H 2 CH 4 + H2 O CH 4 + 2H 2 O CO 2 + 4H 2 nCO + (2n − 1)H 2 C n H 2n − 2 + nH 2 O • Este ®−îc t¹o thµnh theo ph¶n øng: (CH 2 O) hÊp phô + (RCHO) hÊp phô CH 3 COOR • Dimetyl ete ®−îc t¹o thµnh theo ph¶n øng: Al 2 O 3 2CO + 4H 2 CH 3 OCH 3 + H 2 O http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 211 • Xeton ®−îc t¹o thµnh theo çc ph¶n øng: RCH 2 CH 2 OH RCH 2 CHO + H 2 2RCH 2 CHO RCH 2 COCHRCH 3 + O hÊp phô Sù t¹o thµnh hÇu hÕt çc s¶n phÈm phô tõ khÝ tæng hîp, nhÊt lµ nhãm C 2 + thuËn lîi vÒ mÆt nhiÖt ®éng h¬n c¶ qu¸ tr×nh tæng hîp metanol. Nh−ng hiÖu suÊt t¹o thµnh çc s¶n phÈm phô l¹i ®−îc ®iÒu khiÓn do çc yÕu tè ®éng häc h¬n lµ do yÕu tè nhiÖt ®éng häc, v× vËy s¶n phÈm chÝnh nhËn ®−îc vÉn lµ metanol. Bªn c¹nh ®ã cÊu t¹o cña xóc t¸c, thµnh phÇn khÝ nguyªn liÖu, thêi gian l−u vµ nhiÖt ®é còng ¶nh h−ëng ®Õn hiÖu suÊt cña qu¸ tr×nh. XII.2.2. Xóc t¸c cho qu¸ tr×nh tæng hîp ¸p suÊt thÊp Xóc t¸c ®Ó tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp ®−îc h ng ICI sö dông ®Çu tiªn trong c«ng nghiÖp vµo n¨m 1966. Xóc t¸c cã chøa ®ång cã ho¹t tÝnh vµ ®é chän läc tèt h¬n so víi xóc t¸c kÏm oxyt vµ crom oxyt. Xóc t¸c Cu-ZnO ®−îc t¨ng ®é bÒn nhiÖt do sù cã mÆt cña Al 2 O 3 , ®−îc dïng cho qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ khÝ tæng hîp v« cïng tinh khiÕt thµnh metanol. V× xóc t¸c rÊt ho¹t ®éng nªn qu¸ tr×nh tæng hîp metanol ®−îc thùc hiÖn ë 220 0 C ... 230 0 C vµ 5 MPa. Do ®ã ® h¹n chÕ sù l o ho¸ sím dÉn tíi Cu bÞ kÕt dÝnh. Xóc t¸c cã ®é chän läc cao cho phÐp nhËn ®−îc metanol víi ®é tinh khiÕt cao tíi 99,5%. TÊt c¶ çc xóc t¸c cho tæng hîp ¸p suÊt thÊp cã chøa ®ång oxyt vµ kÏm oxyt hiÖn nay ®ang dïng ®Òu ®−îc thªm vµo mét hay nhiÒu phô gia lµm t¨ng ®é bÒn, trong ®ã Al2 O 3 , Cr 2 O 3 hoÆc hçn hîp lµ thÝch hîp h¬n c¶. Trong b¶ng XII.2 ®−a ra mét sè lo¹i xóc t¸c chøa Cu ®iÓn h×nh cho tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp. Xóc t¸c hiÖn nay ®−îc sö dông trong çc nhµ m¸y tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp trªn c¬ së Cu-Zn-Al (hoÆc Cr) nhËn ®−îc d−íi d¹ng cacbonat hoÆc nitrat kim lo¹i, b»ng çch ®ång kÕt tña dung dÞch n−íc cña çc muèi kim lo¹i (vÝ dô muèi nitrat) víi dung dÞch Na2 CO 3 . Qu¸ tr×nh kÕt tña cã thÓ x¶y ra theo nhiÒu giai ®o¹n. ChÊt l−îng cña xóc t¸c ®−îc x¸c ®Þnh bëi thµnh phÇn tèi −u cña çc cÊu tö kim lo¹i, nhiÖt ®é kÕt tña, pH, tr×nh tù cho çc muèi kim lo¹i vµo, thêi gian kÕt tña. Tû lÖ khuÊy trén, tèc ®é khuÊy trén vµ h×nh d¹ng çnh khuÊy còng ¶nh h−ëng tíi chÊt l−îng xóc t¸c. Xóc t¸c cho qu¸ tr×nh tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp còng cã thÓ ®−îc chÕ t¹o b»ng çc ph−¬ng ph¸p kh¸c nh−: tÈm çc cÊu tö ho¹t tÝnh lªn chÊt mang, trén lÉn çc hîp chÊt kim lo¹i... Xóc t¸c Cu-ZnO-Al 2 O 3 th−¬ng phÈm hiÖn nay dïng trong tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp cho phÐp s¶n xuÊt ra s¶n phÈm yªu cÇu víi ®é chän läc cao, cã thÓ tíi 99% l−îng CO x cho vµo. 212 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn B¶ng XII.2. Mét sè lo¹i xóc t¸c chøa Cu ®iÓn h×nh cho tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp H·ng s¶n xuÊt Çc cÊu tö Hμm l−îng, % sè nguyªn tö IFP Cu 25 − 80 Zn 10 − 50 Al 4 − 25 Cu 65 − 75 Zn 18 − 23 Al 8 − 12 Sud Chemie Shell Cu Zn oxit ®Êt hiÕm ICI Cu Zn Al BASF Cu Zn Al Du Pont Cu Zn Al United Catalyst Cu Zn Al Haldor Topsoe Cu Zn Cr 71 24 5 61 30 9 65 − 75 20 − 30 5 − 10 50 19 31 62 21 17 37 15 48 Cã mét sè t¹p chÊt lµm ¶nh h−ëng tíi ho¹t tÝnh vµ ®é chän läc cña xóc t¸c. Çc hîp chÊt kiÒm lµm gi¶m thêi gian sö dông vµ lµm gi¶m ®é chän läc cña xóc t¸c. ThËm chÝ çc t¹p chÊt chøa s¾t hoÆc nikel trong kho¶ng vµi phÇn triÖu sÏ lµm t¨ng çc ph¶n øng phô t¹o thµnh çc hydrocacbon vµ s¸p. Çc hîp chÊt nh− silicon dioxit lµm t¨ng tû lÖ dimetyl ete trong metanol th«. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 213 Çc chÊt ho¹t ho¸ cÊu tróc t¹o ®iÒu kiÖn ph©n t¸n cao vµ æn ®Þnh çc t©m ho¹t ®éng cña xóc t¸c cho tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp. Xóc t¸c cã ho¹t tÝnh cao vµ ®é æn ®Þnh tèt trong çc ®iÒu kiÖn tiÕn hµnh qu¸ tr×nh, thêi gian sö dông kho¶ng 2 - 5 n¨m. Nh÷ng s¬ suÊt trong qu¸ tr×nh chÕ t¹o xóc t¸c cã thÓ ¶nh h−ëng lín ®Õn cÊu tróc phøc t¹p cña çc t©m ho¹t ®éng vµ lµm xóc t¸c bÞ gi¶m ho¹t tÝnh. §iÒu kiÖn nhiÖt ®é, thµnh phÇn hçn hîp khÝ nguyªn liÖu ®−a vµo ph¶i ®−îc kiÓm so¸t chÆt chÏ. Xóc t¸c chøa ®ång rÊt nh¹y ®èi víi çc t¹p chÊt trong khÝ tæng hîp. Çc hîp chÊt cña l−u huúnh vµ clo g©y ngé ®éc hÖ xóc t¸c chøa ®ång trong tæng hîp metanol. Çc hîp chÊt nµy ph¶i ®−îc lo¹i bá khái thµnh phÇn cña khÝ tæng hîp tr−íc khi dïng lµm nguyªn liÖu cho qu¸ tr×nh tæng hîp metanol. Dïng xóc t¸c chøa ZnO sÏ h¹n chÕ t¸c h¹i cña hîp chÊt chøa l−u huúnh v× S sÏ bÞ chuyÓn thµnh ZnS. Sau khi bÞ gi¶m ho¹t tÝnh, xóc t¸c vÉn cã thÓ hÊp phô ®−îc mét l−îng lín S ®Ó b¶o vÖ líp xóc t¸c sau khái sù ngé ®éc. Çc t¹p chÊt kh¸c trong khÝ tæng hîp nh− hîp chÊt silicon, nikel carbonyl hoÆc s¾t carbonyl còng lµm cho xóc t¸c bÞ mÊt ho¹t tÝnh. Xóc t¸c còng cã thÓ bÞ mÊt ho¹t tÝnh do bÞ ph©n huû nhiÖt nÕu sö dông thµnh phÇn khÝ tuÇn hoµn kh«ng thÝch hîp, ®iÒu chØnh nhiÖt ®é kh«ng ®óng hoÆc n¹p qu¸ nhiÒu xóc t¸c lóc ban ®Çu g©y hiÖn t−îng qu¸ nhiÖt côc bé... NhiÒu hÖ xóc t¸c cho qu¸ tr×nh tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp ®−îc nghiªn cøu. Trong ®ã hÖ xóc t¸c Cu-ZnO-Al2 O 3 ®−îc sö dông phæ biÕn trong çc nhµ m¸y tæng hîp metanol v× cã ho¹t tÝnh vµ ®é chän läc cao, ®é bÒn tèt, gi¸ thµnh chÊp nhËn ®−îc. XII.2.3. C«ng nghÖ tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp Ph−¬ng tr×nh (5), (6) vµ (7) lµ çc ph¶n øng quan träng cña qu¸ tr×nh s¶n xuÊt metanol tõ khÝ tæng hîp. Qua mçi giai ®o¹n ph¶n øng khi ®¹t tíi tr¹ng th¸i c©n b»ng nhiÖt ®éng chØ cã kho¶ng 50% khÝ tæng hîp ®−îc chuyÓn hãa. Do ®ã sau khi metanol vµ n−íc ng−ng tô ®−îc t¸ch ra, khÝ cßn l¹i ch−a chuyÓn ho¸ ®−îc ®−a tuÇn hoµn trë l¹i thiÕt bÞ ph¶n øng. S¬ ®å nguyªn lý cña qu¸ tr×nh tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp ®−îc m« t¶ trªn h×nh XII.2. KhÝ tæng hîp ®−a vµo ®−îc nÐn tíi ¸p suÊt yªu cÇu (5 ... 10 MPa) trong m¸y nÐn nhiÒu cÊp 6. KhÝ tr−íc khi ®i vµo thiÕt bÞ ph¶n øng ®−îc gia nhiÖt t¹i thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt b»ng hçn hîp khÝ nãng sau ph¶n øng. 214 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn H¬i n−íc 1 N−íc 6 KhÝ míi ®−a vµo 5 2 KhÝ tuÇn hoµn 3 KhÝ s¹ch 4 Metanol th« H×nh XII.2. S¬ ®å nguyªn lý c«ng nghÖ tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp 1. ThiÕt bÞ ph¶n øng; 2. ThiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt; 3. ThiÕt bÞ lµm l¹nh; 4. Th¸p ph©n ly; 5. M¸y nÐn tuÇn hoµn; 6. M¸y nÐn khÝ. Ph¶n øng t¹o thµnh metanol lµ ph¶n øng táa nhiÖt x¶y ra trong thiÕt bÞ ph¶n øng 1 ë nhiÖt ®é 2000 C ... 300 0 C. NhiÖt ph¶n øng cã thÓ ®−îc ph©n t¸n qua mét hay nhiÒu cÊp. Hçn hîp sau ph¶n øng ®−îc tiÕp tôc lµm l¹nh t¹i 3 sau khi ®i qua thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt 2, nhiÖt táa ra khi ng−ng tô metanol vµ n−íc cã thÓ ®−îc tËn dông vµo viÖc kh¸c trong qu¸ tr×nh. Metanol th« ®−îc t¸ch ra khái pha khÝ trong thiÕt bÞ ph©n ly 4 vµ hãa láng tr−íc khi ®−a sang ch−ng cÊt. KhÝ tõ thiÕt bÞ ph©n ly ®−îc tuÇn hoµn l¹i ®Çu hót cña m¸y nÐn tuÇn hoµn 5. L−îng khÝ s¹ch tuÇn hoµn l¹i ®−îc khèng chÕ bëi nång ®é vµ hµm l−îng çc hîp chÊt tr¬ vµ hÖ sè tû l−îng çc cÊu tö cÇn thiÕt trong hçn hîp ph¶n øng. Çc c«ng nghÖ ¸p suÊt thÊp s¶n xuÊt metanol hiÖn nay kh¸c nhau chñ yÕu ë d¹ng thiÕt bÞ ph¶n øng. HiÖn cã nhiÒu lo¹i thiÕt bÞ ph¶n øng kh¸c nhau: thiÕt bÞ ®o¹n nhiÖt (cña h ng ICI) hoÆc gÇn ®¼ng nhiÖt (h ng Lurgi). C«ng nghÖ cña h ng ICI chiÕm kho¶ng 60% vµ c«ng nghÖ cña h ng Lurgi chiÕm kho¶ng 30% tæng l−îng metanol s¶n xuÊt trªn thÕ giíi. C«ng nghÖ cña h ng ICI sö dông thiÕt bÞ ph¶n øng ®o¹n nhiÖt víi mét líp xóc t¸c. Ph¶n øng bÞ dËp t¾t khi ®−a khÝ l¹nh vµo tõ mét vµi ®iÓm. Do ®ã profil nhiÖt ®é däc theo trôc thiÕt bÞ ph¶n øng cã h×nh r¨ng c−a. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 215 Trong c«ng nghÖ cña h ng Kellogg, khÝ tæng hîp ®−îc thæi qua vµi tÇng thiÕt bÞ ph¶n øng ® ®−îc s¾p xÕp thµnh d y theo trôc. NhiÖt ph¶n øng ®−îc lÊy ®i b»ng çc thiÕt bÞ lµm l¹nh trung gian. ThiÕt bÞ ph¶n øng cña h ng Haldor Topsoe ho¹t ®éng trªn nguyªn lý t−¬ng tù nh−ng khÝ tæng hîp ®−îc phun xuyªn qua t©m çc tÇng xóc t¸c. H ng Ammonia−Casale S. A. ® ph¸t triÓn mét lo¹i thiÕt bÞ ph¶n øng ho¹t ®éng kÕt hîp c¶ dßng trôc vµ dßng xuyªn t©m. Lo¹i thiÕt bÞ ph¶n øng nµy ®−îc sö dông ®Çu tiªn trong çc nhµ m¸y s¶n xuÊt amoniac cña h ng ICI. C«ng nghÖ cña h ng Lurgi tiÕn hµnh trong thiÕt bÞ ph¶n øng h×nh èng ®−îc lµm m¸t b»ng n−íc s«i. Xóc t¸c ®−îc ®Æt trong èng, n−íc s«i ch¶y ngoµi èng. ThiÕt bÞ ph¶n øng cña h ng Variobar lµ thiÕt bÞ ph¶n øng èng lång èng cuén thµnh nhiÒu líp, èng lµm m¸t cña nã ®−îc «m trong líp xóc t¸c. NhiÖt ®é cña thiÕt bÞ ph¶n øng ®−îc ®iÒu chØnh bëi n−íc lµm m¸t. Trong çc ph−¬ng ph¸p kh¸c, nhiÖt cña ph¶n øng ®−îc sö dông ®Ó s¶n xuÊt h¬i n−íc, cã thÓ dïng ®Ó quay tuabin, m¸y nÐn hoÆc lµm nguån n¨ng l−îng cho qu¸ tr×nh ch−ng cÊt metanol tiÕp theo. Kh¸c víi hai thiÕt bÞ ph¶n øng trªn, h ng Toyo ®−a ra mét lo¹i thiÕt bÞ ph¶n øng trong ®ã dßng khÝ tæng hîp ®−îc thæi xuyªn t©m. ¦u ®iÓm cña nã lµ hÖ sè trao ®æi nhiÖt cao cïng víi tæn thÊt ¸p suÊt kh«ng ®¸ng kÓ. H ng Mitsubishi Gas Chemical (MGC) sö dông mét thiÕt bÞ ph¶n øng h×nh èng cã thµnh kÐp ®−îc ®æ ®Çy xóc t¸c trong kh«ng gian h×nh khuyªn. KhÝ tæng hîp tr−íc tiªn ®−îc thæi qua èng bªn trong ®Ó ®un nãng vµ sau ®ã ®i qua líp xóc t¸c gi÷a hai èng ng−îc dßng, èng ngoµi ®−îc lµm l¹nh b»ng n−íc. H ng Mitsubishi cho r»ng −u ®iÓm chÝnh cña ph−¬ng ph¸p nµy lµ ®¹t ®−îc ®é chuyÓn hãa cao (kho¶ng 14% metanol t¹i ®Çu ra cña thiÕt bÞ). Metanol th« ra khái thiÕt bÞ ph¶n øng chøa n−íc vµ çc t¹p chÊt kh¸c. Sè l−îng vµ thµnh phÇn t¹p chÊt phô thuéc vµo çc ®iÒu kiÖn ph¶n øng, khÝ nguyªn liÖu, lo¹i vµ thêi gian sö dông xóc t¸c. Metanol th« ®−îc kiÒm hãa nhÑ b»ng çch cho thªm vµo mét l−îng nhá dung dÞch s«®a ®Ó trung hßa çc axit cacboxylic thÊp vµ thñy ph©n çc este. Metanol chøa c¶ çc cÊu tö cã nhiÖt ®é s«i cao vµ thÊp (cÆn nÆng vµ nhÑ). CÆn nhÑ bao gåm khÝ hßa tan, dimetyl ete, metyl formiat vµ axeton. CÆn nÆng bao gåm çc r−îu cao h¬n, hydrocarbon m¹ch dµi, xeton vµ este cña r−îu thÊp víi çc axit formic, axetic vµ propionic. Hydrocarbon parafin gåm hçn hîp cña çc hydrocarbon m¹ch th¼ng C 8 ... C 40 còng ®−îc t¹o thµnh 216 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn víi mét l−îng nhá. Çc hîp chÊt nµy cã ®é bay h¬i thÊp do ®ã ë l¹i ®¸y cét ch−ng cÊt, dÔ dµng bÞ lo¹i bá do Ýt tan trong n−íc vµ tû träng nhá. Çc t¹p chÊt trong metanol ®−îc t¸ch theo hai bËc. Tr−íc tiªn, tÊt c¶ çc cÊu tö cã nhiÖt ®é s«i thÊp h¬n nhiÖt ®é s«i cña metanol ®−îc t¸ch ra ë cét t¸ch çc cÊu tö nhÑ. Metanol tinh khiÕt sau ®ã ®−îc ch−ng cÊt qua mét hay nhiÒu cét ch−ng. NÕu çc cét lµm viÖc t¹i ¸p suÊt kh¸c nhau th× nhiÖt táa ra khi ng−ng tô h¬i cña cét lµm viÖc ë ¸p suÊt cao sÏ ®−îc dïng ®Ó cÊp cho cét lµm viÖc ë ¸p suÊt thÊp h¬n. XII.2.4. Mét sè s¬ ®å c«ng nghÖ tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp hiÖn ®¹i XII.2.4.1. C«ng nghÖ cña h ng Haldor Topsoe (§an M¹ch) Qu¸ tr×nh tæng hîp metanol tõ khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh ®−îc thùc hiÖn ë ¸p suÊt thÊp. C«ng nghÖ ®−îc thùc hiÖn bao gåm hai giai ®o¹n: Giai ®o¹n I: ChuyÓn ho¸ khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh thµnh khÝ tæng hîp b»ng qu¸ tr×nh tæ hîp. Giai ®o¹n II: ChuyÓn ho¸ khÝ tæng hîp thµnh metanol. S¬ ®å c«ng nghÖ ®−îc m« t¶ trªn h×nh XII.3. Dßng khÝ nguyªn liÖu (khÝ tù nhiªn hoÆc khÝ ®ång hµnh) ®−îc nÐn qua th¸p t¸ch l−u huúnh 1, qua th¸p lµm Èm 2, t¹i ®©y khÝ ®−îc b o hoµ h¬i n−íc. Hçn hîp khÝ b o hoµ h¬i n−íc ®−îc ®−a vµo th¸p 3, t¹i ®©y x¶y ra qu¸ tr×nh oxy ho¸ s¬ cÊp (qu¸ tr×nh reforming h¬i n−íc). Sau ®ã hçn hîp ®−îc chuyÓn sang th¸p 4, oxy ®−îc thæi trùc tiÕp vµo th¸p 4, thùc hiÖn qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ thø cÊp. L−îng oxy ®−a vµo ®−îc tÝnh to¸n sao cho t−¬ng øng víi tû lÖ çc cÊu tö trong khÝ tæng hîp thÝch hîp cho qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ thµnh metanol ë giai ®o¹n sau. KhÝ tæng hîp sau khi ®−îc lµm nguéi tõ nhiÖt ®é 1000 ... 11000 C, ®−îc ®−a qua m¸y nÐn 7 vµ ®−îc nÐn tíi ¸p suÊt 10 MPa, vµ qua chu tr×nh tæng hîp metanol 8. NhiÖt l−îng cña khÝ tæng hîp ®−îc tËn dông ®Ó s¶n xuÊt h¬i n−íc ¸p suÊt cao trong thiÕt bÞ 5, vµ gia nhiÖt cho ®¸y th¸p ch−ng tinh chÕ metanol. Chu tr×nh tæng hîp metanol lµ hÖ thèng gåm ba thiÕt bÞ ph¶n øng ®o¹n nhiÖt, trong ®ã cã xóc t¸c cho ph¶n øng tæng hîp metanol. Cã sù trao ®æi nhiÖt gi÷a çc thiÕt bÞ ph¶n øng. S¶n phÈm metanol th« ®−îc t¸ch khái khÝ tæng hîp, ®−a sang th¸p ch−ng 6. Cßn khÝ tæng hîp ch−a chuyÓn ho¸ ®−îc dÉn tíi m¸y nÐn 9 ®Ó tuÇn hoµn trë l¹i hoÆc ®−a ®i lµm nhiªn liÖu. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 217 1. Axeton; 2. Metanol; 3. R−îu izo-propylic; 4. R−îu n-propylic; 5. R−îu butylic. 218 N−íc H¬i n−íc Oxy H¬i n−íc ¸p suÊt cao 5 Ch−ng cÊt 6 KhÝ tù nhiªn KhÝ th¶i 3 4 7 8 1 8 8 2 9 http://www.ebook.edu.vn Trao ®æi nhiÖt n−íc N−íc Nhiªn liÖu KhÝ tuÇn hoµn Metanol H×nh XII.3. S¬ ®å c«ng nghÖ tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp cña h·ng Haldor Topsoe Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn C«ng nghÖ nµy rÊt phï hîp víi çc nhµ m¸y s¶n xuÊt quy m« lín, cã thÓ lªn tíi 10.000 tÊn/ngµy. Tæng sè vèn ®Çu t− cho mét nhµ m¸y lín bao gåm c¶ bé phËn s¶n xuÊt oxy thÊp h¬n kho¶ng 10% so víi vèn ®Çu t− cho mét nhµ m¸y sö dông qu¸ tr×nh reforming h¬i n−íc mét giai ®o¹n. Nhµ m¸y víi quy m« 2.400 tÊn/ngµy ® ®−îc x©y dùng t¹i Na Uy vµo ®Çu n¨m 1997. XII.2.4.2. C«ng nghÖ cña h ng ICI Katalco (Mü) S¬ ®å c«ng nghÖ tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp cña h ng ICI Katalco ®−îc m« t¶ trªn h×nh XII.4. Nguyªn liÖu chñ yÕu ®−îc sö dông lµ khÝ tù nhiªn, khÝ ®ång hµnh. Naphta, ph©n ®o¹n hydrocacbon nÆng cña qu¸ tr×nh ch−ng cÊt dÇu th«, than ®¸ còng cã thÓ dïng ®−îc. Qu¸ tr×nh c«ng nghÖ bao gåm ba giai ®o¹n: Giai ®o¹n 1: ChuyÓn ho¸ hydrocacbon thµnh khÝ tæng hîp. Giai ®o¹n 2: ChuyÓn ho¸ khÝ tæng hîp thµnh metanol. Giai ®o¹n 3: Tinh chÕ metanol. Nguyªn liÖu sau khi ® ®−îc lo¹i bá S ë th¸p 1 vµ b o hoµ h¬i n−íc ë th¸p 2 ®−îc ®−a vµo th¸p chuyÓn ho¸ cã chøa xóc t¸c niken. KhÝ tæng hîp ®−îc s¶n xuÊt b»ng c«ng nghÖ reforming h¬i n−íc ë nhiÖt ®é 880 0 C vµ ¸p suÊt 2 MPa. C«ng ®o¹n tæng hîp metanol bao gåm: m¸y nÐn tuÇn hoµn 3, thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ 4, çc thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt vµ th¸p ph©n ly 5. Trong çc nhµ m¸y lín qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ khÝ tæng hîp thµnh metanol thùc hiÖn trªn xóc t¸c cã chøa Cu ë ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é 240 ... 270 0 C, ¸p suÊt 8 ... 10 MPa. Ph¶n øng bÞ giíi h¹n bëi c©n b»ng vµ nång ®é cña metanol t¹i ®Çu ra cña thiÕt bÞ tæng hîp kh«ng v−ît qu¸ 7%. Hçn hîp s¶n phÈm ®−îc lµm l¹nh tíi 40 0 C ®Ó ng−ng tô metanol. KhÝ ch−a ph¶n øng ®−îc t¸ch ra tõ th¸p ph©n ly 5, sau khi qua bé phËn lµm s¹ch ®Ó lo¹i nit¬, argon, hydro d−, nhê m¸y nÐn tuÇn hoµn trë l¹i thiÕt bÞ tæng hîp. Metanol th« tõ th¸p ph©n ly cã chøa n−íc vµ çc s¶n phÈm phô ®−îc ®−a sang c«ng ®o¹n tinh chÕ gåm hai th¸p ch−ng 6 vµ 7. Th¸p 6 ®Ó t¸ch çc cÊu tö nhÑ nh− çc ete, este, axeton, vµ çc hydrocacbon thÊp. Th¸p 7 ®Ó t¸ch n−íc, çc r−îu cao vµ çc hydrocacbon nÆng h¬n. Metanol thµnh phÈm cã ®é tinh khiÕt cao nhËn ®−îc tõ ®Ønh th¸p 7. Cho ®Õn n¨m 1998 ® cã 56 nhµ m¸y s¶n xuÊt metanol ®−îc x©y dùng theo c«ng nghÖ nµy. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 219 220 Kh«ng khÝ Reforming KhÝ tù nhiªn èng khãi M¸y nÐn 1 2 3 B¬m H¬i n−íc Condensat N−íc Metanol thµnh phÈm 4 5 6 N−íc s«i 7 http://www.ebook.edu.vn Ch−ng cÊt H×nh XII.4. S¬ ®å c«ng nghÖ tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp cña h·ng ICI Katalco Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 222 Oxy KhÝ tù nhiªn N−íc s«i ThiÕt bÞ chuyÓn ho¸ tù nhiÖt Nhiªn liÖu N−íc tõ qu¸ tr×nh ch−ng cÊt ThiÕt bÞ ®un s«i l¹i Kh«ng khÝ KhÝ s¹ch H¬i n−íc ch¹y tuabin M¸y nÐn khÝ http://www.ebook.edu.vn ThiÕt bÞ tæng hîp metanol H¬i n−íc H×nh XII.5. S¬ ®å c«ng nghÖ tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp cña h·ng Lurgi Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Metanol th« ®−a sang ch−ng cÊt XII.2.4.3. C«ng nghÖ cña h ng Lurgi Oil Gas Chemie GmbH (§øc) C«ng nghÖ s¶n xuÊt metanol víi quy m« lín tõ khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh sö dông qu¸ tr×nh reforming tæ hîp ®Ó chuyÓn ho¸ thµnh khÝ tæng hîp vµ qu¸ tr×nh tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp. S¬ ®å c«ng nghÖ ®−îc m« t¶ trªn h×nh XII.5. KhÝ nguyªn liÖu ®−îc gia nhiÖt s¬ bé, t¸ch S, sau ®ã ®−îc chia lµm hai dßng. Mét dßng ®−îc b o hoµ h¬i n−íc, tiÕp tôc ®−îc gia nhiÖt vµ dÉn tíi thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ s¬ cÊp b»ng qu¸ tr×nh reforming h¬i n−íc. Hçn hîp khÝ sau khi ® chuyÓn ho¸ mét phÇn trong thiÕt bÞ s¬ cÊp cã ¸p suÊt cao ®−îc trén víi dßng nguyªn liÖu cßn l¹i vµ ®−a vµo thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ thø cÊp. T¹i ®©y hçn hîp khÝ ®−îc chuyÓn ho¸ ë ¸p suÊt 3,5 MPa vµ nhiÖt ®é 960 0 C nhê qu¸ tr×nh reforming tù nhiÖt cã bæ sung dßng oxy. NhiÖt l−îng cña khÝ tæng hîp vµ khÝ th¶i cña qu¸ tr×nh ®−îc sö dông cho thiÕt bÞ ph¸t sinh h¬i n−íc, gia nhiÖt s¬ bé cho hçn hîp nguyªn liÖu ®Çu, ®un nãng cho çc th¸p ch−ng. Sau khi lµm l¹nh b»ng kh«ng khÝ hoÆc n−íc, khÝ tæng hîp ®−îc nÐn ®Õn ¸p suÊt 8 MPa tr−íc khi ®−a sang thiÕt bÞ tæng hîp metanol. Trong thiÕt bÞ tæng hîp metanol, xóc t¸c cã chøa Cu ®−îc ®Æt trong çc èng th¼ng ®øng, n−íc s«i qu¸ nhiÖt ®−îc dÉn ë bªn ngoµi. Ph¶n øng x¶y ra trong ®iÒu kiÖn gÇn nh− ®¼ng nhiÖt. NhiÖt ®é ph¶n øng ®−îc ®iÒu khiÓn chÝnh x¸c b»ng ¸p suÊt cña h¬i n−íc. §iÒu kiÖn ph¶n øng ®¼ng nhiÖt vµ xóc t¸c cã ®é chän läc cao cho phÐp h¹n chÕ çc s¶n phÈm phô t¹o thµnh ë møc thÊp nhÊt. Hçn hîp sau ph¶n øng sau khi lµm l¹nh ®−îc ®−a sang th¸p t¸ch. KhÝ ch−a chuyÓn ho¸ ®−îc m¸y nÐn ®−a trë l¹i thiÕt bÞ tæng hîp trén víi nguyªn liÖu míi. Metanol th« t¸ch khái hçn hîp khÝ ®−îc ®−a sang ch−ng cÊt ®Ó nhËn s¶n phÈm metanol tinh khiÕt. Qu¸ tr×nh nµy phï hîp víi yªu cÇu cÇn thiÕt cã thÓ chuyÓn çc nhµ m¸y s¶n xuÊt amoniac thµnh nhµ m¸y s¶n xuÊt metanol khi cã nhu cÇu t¹i chç. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 221 222 Oxy KhÝ tù nhiªn N−íc s«i ThiÕt bÞ chuyÓn ho¸ tù nhiÖt Nhiªn liÖu N−íc tõ qu¸ tr×nh ch−ng cÊt ThiÕt bÞ ®un s«i l¹i Kh«ng khÝ KhÝ s¹ch H¬i n−íc ch¹y tuabin M¸y nÐn khÝ http://www.ebook.edu.vn ThiÕt bÞ tæng hîp metanol H¬i n−íc H×nh XII.5. S¬ ®å c«ng nghÖ tæng hîp metanol ¸p suÊt thÊp cña h·ng Lurgi Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Metanol th« ®−a sang ch−ng cÊt Ch−¬ng XIII C«ng nghÖ tæng hîp amoniac HÇu nh− tÊt c¶ amoniac trªn thÕ giíi ®−îc s¶n xuÊt b»ng ph¶n øng cña nit¬ vµ hydro cã xóc t¸c. Vµ hÇu hÕt hydro dïng ®Ó tæng hîp amoniac ®−îc s¶n xuÊt b»ng qu¸ tr×nh reforming h¬i n−íc çc hydrocacbon (ë d¹ng láng vµ khÝ) hoÆc than ®¸. Nguån cung cÊp nit¬ chñ yÕu tõ qu¸ tr×nh hãa láng kh«ng khÝ hoÆc cã thÓ nhËn ®−îc nit¬ tõ qu¸ tr×nh chÕ biÕn khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh. XIII.1. C¬ së ho¸ lý cña qu¸ tr×nh tæng hîp amoniac Ph−¬ng tr×nh ph¶n øng c¬ b¶n cña qu¸ tr×nh tæng hîp amoniac: N 2 + 3H 2 2NH 3 + 91,44 kJ/mol §©y lµ ph¶n øng thuËn nghÞch, to¶ nhiÖt. H»ng sè c©n b»ng ®−îc biÓu diÔn b»ng biÓu thøc: KP = 2 PNH 3 PN 2 ⋅ PH3 2 trong ®ã: P NH 3 , P N 2 , P H 2 lµ ¸p suÊt riªng phÇn cña çc cÊu tö NH3 , N 2 , H 2 . H»ng sè c©n b»ng cã thÓ tÝnh theo ph−¬ng tr×nh van’t Hoff: d(ln K P ) ΔH = dT RT 2 Ph−¬ng ph¸p nµy cã ®é chÝnh x¸c kh«ng cao v× khã x¸c ®Þnh ®−îc çc gi¸ trÞ nhiÖt dung ®¼ng ¸p cña çc cÊu tö ë ¸p suÊt cao vµ ®Þnh luËt Dalton vÒ ¸p suÊt riªng phÇn cã sai sè lín khi ¸p dông ®èi víi khÝ thùc. Sö dông ph−¬ng ph¸p tÝnh theo fugat cho kÕt qu¶ phï hîp h¬n: Kf = ∗ f NH 3 1/2 f N∗ 2 3/2 ⋅ f H∗ 2 = ϕ NH3 ∗ PNH 3 ⋅ 1/2 3/2 ⋅ ϕ H3/2 P ∗ ⋅ P ∗ ϕ 1/2 N2 2 N H 2 2 * trong ®ã: f i lµ fugat cña cÊu tö i lóc c©n b»ng; P i * lµ ¸p suÊt riªng phÇn cña cÊu tö i lóc c©n b»ng; ϕ i lµ hÖ sè fugat cña cÊu tö i , ®−îc tÝnh theo c«ng thøc ϕ i = f i * /P i * . http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 223 HÖ sè fugat ϕ i cña cÊu tö i phô thuéc vµo nhiÖt ®é rót gän T r = T/T c vµ ¸p suÊt rót gän P r = P/P c . NÕu ®Æt: Kϕ = ϕ NH3 ϕ 1N/ 2 ⋅ ϕ H3 / 2 2 vµ KP = 2 ∗ PNH 3 1/ 2 PN∗ 2 3/ 2 ⋅ PH∗ 2 ta cã K f = K ϕ .K P , trong ®ã K P ®−îc tÝnh theo ph−¬ng tr×nh thùc nghiÖm: lg K P = − 2074,18 + 2,4943 lg T + β .T − 1,8564 ⋅ 10 −7 T 2 + I T trong ®ã: T lµ nhiÖt ®é trung b×nh cña qu¸ tr×nh ph¶n øng, K; β lµ hÖ sè phô thuéc vµo ¸p suÊt, ë 300 at: β = 1,256.10 −4 ; I lµ h»ng sè tÝch ph©n, I = −2,206. X¸c ®Þnh ®−îc K P cho phÐp x¸c ®Þnh ®−îc nång ®é amoniac lóc c©n b»ng theo c«ng thøc sau: y a2 − 200 y − 308 K P P ⋅ ya + 10 4 = 0 trong ®ã: y a lµ nång ®é amoniac lóc c©n b»ng, % thÓ tÝch; P lµ ¸p suÊt trung b×nh trong th¸p, at; K P lµ h»ng sè c©n b»ng cña ph¶n øng. HiÖu øng nhiÖt cña ph¶n øng phô thuéc vµo nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt, cã thÓ x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: ⎛ 840,6 459 × 10 5 ⎞⎟ Q = 9157 + ⎜ 0,545 + ⋅ P + 5,35T + 2,52 ⋅ 10 4 T 2 − 16,69 ⋅ 10 6 T 3 + 3 ⎟ ⎜ T T ⎠ ⎝ trong ®ã: T lµ nhiÖt ®é, K; P lµ ¸p suÊt, at; Q lµ hiÖu øng nhiÖt, kJ/mol. XIII.1.1. Çc yÕu tè ¶nh h−ëng tíi c©n b»ng Ph¶n øng tæng hîp amoniac lµ ph¶n øng to¶ nhiÖt, gi¶m thÓ tÝch, nªn theo nguyªn lý Le Chaterlie gi¶m nhiÖt ®é vµ t¨ng ¸p suÊt sÏ lµm chuyÓn dÞch c©n b»ng theo chiÒu thuËn vÒ phÝa t¹o s¶n phÈm NH 3 . §å thÞ quan hÖ nång ®é NH3 lóc c©n b»ng t¹i çc nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt biÓu diÔn trªn h×nh XIII.1 cho thÊy, ë nhiÖt ®é cµng thÊp nång ®é NH 3 cµng t¨ng. NhiÖt ®é cao kh«ng nh÷ng lµm gi¶m nång ®é c©n b»ng, cßn lµm gi¶m nhanh ho¹t tÝnh xóc t¸c. Tuy nhiªn, nÕu nhiÖt ®é qu¸ thÊp th× vËn tèc ph¶n øng kh«ng ®ñ lín. 224 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Nång ®é NH 3 , % Trong c«ng nghiÖp, th−êng tiÕn hµnh ph¶n øng trong kho¶ng nhiÖt ®é tõ 300 0 C ®Õn 400 0 C. 100 200 500 300 400 80 600 700 60 NhiÖt ®é, 0 C 40 800 20 0 20 40 60 80 100 ¸p suÊt, MPa H×nh XIII.1. §å thÞ phô thuéc nång ®é c©n b»ng vµo nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt Tõ ®å thÞ trªn h×nh XIII.1 thÊy r»ng, ë cïng mét nhiÖt ®é ph¶n øng, ¸p suÊt cµng cao nång ®é NH 3 c©n b»ng y a cµng lín, tuy nhiªn sù t¨ng nµy kh«ng ®Òu. Khi ¸p suÊt t¨ng tõ 70 ®Õn 80 MPa th× y a t¨ng 2,5%. Khi ¸p suÊt t¨ng tõ 20 ®Õn 30 MPa th× y © t¨ng 5%. ë ¸p suÊt thÊp y a t¨ng m¹nh h¬n. Tû lÖ çc cÊu tö trong hçn hîp ph¶n øng còng ¶nh h−ëng tíi c©n b»ng cña qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸. §Æt tû lÖ çc cÊu tö H 2 /N 2 b»ng r vµ gäi n 0 lµ tæng sè mol ban ®Çu cña N 2 vµ H 2 , ta cã: ⎛ 1 ⎞ n H0 2 = ⎜ ⎟ ⋅ n0 ⎝1+ r ⎠ vµ ⎛ r ⎞ n N0 2 = ⎜ ⎟ ⋅ n0 ⎝1+ r ⎠ Sau thêi gian ph¶n øng t, sè mol NH 3 sinh ra lµ n a , theo ph−¬ng tr×nh ph¶n øng ta cã nång ®é çc cÊu tö t¹i thêi ®iÓm t nh− sau: N2 t=0 t + n0 1+ r 1 ⎞ ⎛ n0 − n0 ⎟ ⎜ ⎝1+ r 2 ⎠ 3H 2 2NH 3 Tæng sè mol 0 n0 r ⋅ n0 1+ r 3 ⎞ ⎛ r ⋅ n0 − n0 ⎟ ⎜ 2 ⎠ ⎝1+ r na n0 + na Nång ®é phÇn mol c©n b»ng cña amoniac y a b»ng: ya = n0 n 0 − na http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 225 tõ ®ã ta cã sè mol NH 3 b»ng: na = n0 . y a 1 + ya Nång ®é phÇn mol cña N 2 : n0 1 − na n0 na 1 1 = 1+ r 2 = ⋅ − ⋅ n0 − na 1 + r n0 − n a 2 n0 − na y N2 = t−¬ng tù: y H2 = na 1 ⎛ ⎜⎜1 + 1+ r ⎝ n0 − na ⎞ 1 1 ⎟⎟ − y a = (1 + ya ) − 1 ya 1+ r 2 ⎠ 2 r (1 + ya ) − 3 ya 1+ r 2 H»ng sè c©n b»ng tÝnh theo r: ya KP = p− (r + 3) y ⎞ ⎛1 − (r − 1) y ⎞ r ⎛ ⎜1 − a⎟ ⎜ a⎟ 1+ r ⎝ 2r 2 ⎠ ⎝ ⎠ 3 3 trong ®ã: y a lµ nång ®é phÇn mol amoniac lóc c©n b»ng; P lµ ¸p suÊt chung cña hÖ. Trªn h×nh XIII.2 lµ ®å thÞ quan hÖ gi÷a y a vµ r t¹i çc ¸p suÊt kh¸c nhau, ë cïng nhiÖt ®é 500 0 C. Tõ ®å thÞ thÊy r»ng nång ®å phÇn mol amoniac lóc c©n b»ng y a cùc ®¹i ë gi¸ trÞ tû lÖ mol H 2 /N 2 t−¬ng øng r = 3. Nång ®é NH3 c©n b»ng, % mol ya*, % 100 MPa 50 40 60 MPa 30 30 MPa 20 10 MPa 10 0 1 3 5 r H×nh XIII.2. §å thÞ phô thuéc nång ®é c©n b»ng vµo ¸p suÊt vµ tû lÖ mol cÊu tö 226 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn XIII.1.2. Xóc t¸c cho qu¸ tr×nh Thµnh phÇn xóc t¸c cho qu¸ tr×nh tæng hîp amoniac rÊt ®a d¹ng. Xóc t¸c tèt nhÊt vµ kinh tÕ nhÊt hiÖn nay lµ xóc t¸c cã s¾t ë d¹ng oxit FeO, Fe2 O 3 , Fe 3 O 4 , trong ®ã d¹ng Fe3 O 4 cã ho¹t tÝnh cao nhÊt. Ngoµi ra cßn cã thªm çc chÊt phô gia t¨ng ®é bÒn nhiÖt vµ t¨ng ®é æn ®Þnh cÊu tróc nh− Al2O3, TiO2 ,... Khi t¨ng hµm l−îng cña Al 2 O 3 , ®é bÒn nhiÖt vµ ®é bÒn c¬ cña xóc t¸c t¨ng. Tuy nhiªn l−îng Al 2 O 3 , nhiÒu g©y khã kh¨n cho qu¸ tr×nh t¸i sinh xóc t¸c vµ c¶n trë sù nh¶ hÊp thô NH 3 trªn bÒ mÆt xóc t¸c. Ngoµi Al 2 O3 , cßn cã mét sè oxit kh¸c còng cã t¸c dông æn ®Þnh cÊu tróc cña xóc t¸c, møc ®é æn ®Þnh cÊu tróc cña chóng ®−îc s¾p xÕp theo thø tù sau: Al 2 O 3 > TiO 2 > Cr 2 O 3 > MgO > MnO = CaO > SiO 2 > BeO Çc oxit kim lo¹i kiÒm cã t¸c dông lµm t¨ng c−êng trao ®æi ®iÖn tö ho¹t ho¸ qu¸ tr×nh trung gian, do ®ã t¨ng ho¹t tÝnh xóc t¸c lµm viÖc ë ¸p suÊt cao, ®ång thêi t¹o ®iÒu kiÖn nh¶ hÊp phô NH 3 tèt h¬n vµ t¨ng kh¶ n¨ng chÞu ngé ®éc víi H 2 S. Ngoµi ra çc oxit ®Êt hiÕm nh− Sm 2 O 3 , HoO 3 , Fr 2 O 3 còng gãp phÇn t¨ng ho¹t tÝnh xóc t¸c. Trong qu¸ tr×nh ho¹t ho¸, çc oxit nµy bÞ khö thµnh kim lo¹i vµ t¹o hîp kim víi s¾t. XIII.2. C«ng nghÖ tæng hîp amoniac Cã nhiÒu nguån nguyªn liÖu kh¸c nhau ®−îc sö dông cho qu¸ tr×nh tæng hîp amoniac nh− than, dÇu nÆng naphta, khÝ tù nhiªn, khÝ ®ång hµnh. Víi çc nguyªn liÖu kh¸c nhau, chi phÝ ®Çu t− c¬ b¶n vµ tiªu tèn n¨ng l−îng cho mét nhµ m¸y s¶n xuÊt amoniac 1000 tÊn/ngµy ®−îc ®−a ra trong b¶ng so s¸nh d−íi ®©y (nÕu lÊy sè liÖu cho khÝ tù nhiªn lµ ®¬n vÞ). B¶ng XIII.1. So s¸nh s¶n xuÊt amoniac tõ çc nguyªn liÖu kh¸c nhau KhÝ tù nhiªn Naphta DÇu nÆng Than §Çu t− c¬ b¶n 1,00 1,18 1,50 2,00 Tiªu hao n¨ng l−îng 1,00 1,05 1,11 1,45 Tõ sè liÖu so s¸nh trªn b¶ng XIII.1 thÊy r»ng, chi phÝ ®Çu t− c¬ b¶n còng nh− tiªu hao n¨ng l−îng cho nhµ m¸y s¶n xuÊt amoniac ®i tõ khÝ tù nhiªn lµ thÊp nhÊt. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 227 XIII.2.1. Qu¸ tr×nh tæng hîp amoniac ®i tõ khÝ tù nhiªn Qu¸ tr×nh tæng hîp amoniac ®i tõ khÝ tù nhiªn bao gåm ba giai ®o¹n: 1) ChuyÓn ho¸ khÝ tù nhiªn thµnh khÝ tæng hîp, b»ng qu¸ tr×nh reforming h¬i n−íc vµ oxy ho¸ mét phÇn: CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 1 CO + 2H 2 O2 2 2) Lo¹i bá CO vµ CO 2 v× chóng g©y ngé ®éc xóc t¸c. Ng−êi ta thùc hiÖn viÖc lo¹i CO b»ng çch: §Çu tiªn chuyÓn CO thµnh CO2 b»ng h¬i n−íc theo ph¶n øng: CO + H2 O CO 2 + H 2 CH 4 + Sau ®ã CO2 sÏ ®−îc lo¹i bá b»ng röa n−íc, hÊp thô b»ng dung dÞch cacbonat vµ etanolamin. Khi hµm l−îng CO cßn l¹i ®ñ nhá, ng−êi ta tiÕn hµnh tinh chÕ khÝ nhê qu¸ tr×nh metan ho¸: CO + 3H 2 CH 4 + H 2 O ®Ó lo¹i bá çc oxit CO, CO2 ®Õn møc nhá h¬n 10 ppm. 3) Giai ®o¹n tæng hîp amoniac: N 2 + 3H 2 2NH 3 + Q Tuú theo ®iÒu kiÖn ¸p suÊt ng−êi ta chia lµm ba qu¸ tr×nh: • Qu¸ tr×nh tæng hîp ¸p suÊt thÊp • Qu¸ tr×nh tæng hîp ¸p suÊt trung b×nh • Qu¸ tr×nh tæng hîp ¸p suÊt cao 10 ... 15 MPa; 25 ... 50 MPa; 60 ... 100 MPa. XIII.2.2. Mét sè s¬ ®å tæng hîp ®iÓn h×nh NÕu khÝ míi hoµn toµn kh«ng cã çc chÊt g©y ngé ®éc xóc t¸c nh− n−íc, CO 2 , cã thÓ trùc tiÕp ®−a vµo thiÕt bÞ chuyÓn ho¸ (h×nh XIII.3a). Sau khi khÝ ra khái thiÕt bÞ tæng hîp, NH 3 ®−îc ng−ng tô b»ng çch lµm l¹nh vµ khÝ tuÇn hoµn ®−îc ®−a vµo m¸y nÐn tuÇn hoµn. S¬ ®å nµy ®¹i diÖn cho sù s¾p xÕp thÝch hîp nhÊt theo quan ®iÓm n¨ng l−îng cùc tiÓu. KÕt qu¶ lµ NH3 thÊp nhÊt ë ®Çu vµo vµ cao nhÊt cho ng−ng tô. 228 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn KhÝ nguyªn liÖu KhÝ nguyªn liÖu 2 4 1 5 KhÝ th¶i 4 KhÝ nguyªn liÖu 2 KhÝ th¶i 1 b) NH 3 NH 3 NH 3 5 KhÝ th¶i 2 a) KhÝ nguyªn liÖu 4 5 1 4 KhÝ th¶i 2 NH 3 5 1 3 c) d) H×nh XIII.3. Çc s¬ ®å tæng hîp amoniac 1. ThiÕt bÞ chuyÓn ho¸ NH 3 cã bé phËn trao ®æi nhiÖt; 2. Thu håi NH 3 b»ng lµm l¹nh vµ ng−ng tô; 3. Thu håi NH 3 b»ng ng−ng tô ë nhiÖt ®é m«i tr−êng; 4. M¸y nÐn khÝ tæng hîp; 5. M¸y nÐn khÝ tuÇn hoµn. Khi khÝ nguyªn liÖu míi chøa nhiÒu n−íc hoÆc CO 2 th× cÇn ph¶i hÊp thô hoµn toµn nhê ng−ng tô NH 3 . §iÒu nµy yªu cÇu giai ®o¹n ng−ng tô ®−îc ®Æt mét phÇn hoÆc toµn bé gi÷a ®Çu ®−a khÝ míi vµo vµ thiÕt bÞ chuyÓn ho¸. Sù s¾p xÕp nµy cã bÊt lîi lµ nång ®é NH 3 gi¶m xuèng do hoµ tan vµo khÝ míi. Ngoµi ra, ë nhiÖt ®é ng−ng tô t−¬ng øng nång ®é NH3 c©n b»ng ë ®Çu vµo cao h¬n ®èi víi thiÕt bÞ chuyÓn ho¸. H×nh XIII.3b lµ s¬ ®å ®¬n gi¶n nhÊt. S¬ ®å nµy cã bÊt lîi lµ NH3 s¶n xuÊt ra ë pha khÝ ph¶i ®−îc nÐn cïng khÝ tuÇn hoµn trong m¸y nÐn tuÇn hoµn. Trong s¬ ®å trªn h×nh XIII.3c th−êng sö dông m¸y nÐn lo¹i bèn kú, víi sù bè trÝ nh− vËy, thùc hiÖn nÐn tuÇn hoµn ngay sau khi ng−ng tô vµ t¸ch NH 3 . Cã thÓ sö dông n−íc hoÆc kh«ng khÝ lµm l¹nh khÝ tuÇn hoµn ngay tr−íc khi trén víi khÝ míi (tr−íc khi hoµ tan khÝ tuÇn hoµn), v× thÕ gi¶m ®−îc tiªu hao n¨ng l−îng cho lµm l¹nh. Chia lµm l¹nh thµnh hai bËc cho ng−ng tô NH3 sÏ cã lîi khi khÝ tuÇn http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 229 hoµn ®−îc nÐn cïng khÝ míi. Qu¸ tr×nh nµy ®−îc sö dông ®Æc biÖt lµ víi ¸p suÊt tæng hîp lín h¬n 25 MPa. ë ¸p suÊt nµy, phÇn lín NH3 t¹o thµnh cã thÓ ®−îc ho¸ láng nhê lµm l¹nh b»ng n−íc hoÆc kh«ng khÝ nh− s¬ ®å trªn h×nh XIII.3d. VÒ thiÕt bÞ, th¸p tæng hîp lµ thiÕt bÞ quan träng nhÊt trong toµn bé hÖ thèng tæng hîp NH3 . CÊu t¹o cña th¸p cÇn v÷ng ch¾c, ®¶m b¶o lµm viÖc l©u dµi, kh«ng nguy hiÓm v× qu¸ tr×nh tæng hîp thùc hiÖn ë ¸p suÊt rÊt cao. Kim lo¹i dïng ®Ó chÕ t¹o th¸p cÇn cã yªu cÇu ®é bÒn cao, nÕu kh«ng H2 vµ NH 3 chøa trong hçn hîp khÝ ë nhiÖt ®é cao sÏ cã t¸c dông víi kim lo¹i lµm gi¶m phÈm chÊt cña nã, ®Æc biÖt víi thÐp kh«ng cacbon ho¸. Th¸p tæng hîp lµ th¸p h×nh trô b»ng thÐp, chiÒu dµy tõ 176 ®Õn 200 mm, cao tõ 12 ®Õn 30 m, ®−êng kÝnh tõ 1 ®Õn 1,4 m. Th¸p ®−îc ®Æt th¼ng ®øng, phÇn trªn vµ d−íi th¸p ®−îc nèi víi nhau bëi ghi thÐp vµ mÆt bÝch. Sù kh¸c nhau vÒ cÊu t¹o cña th¸p chñ yÕu lµ kh¸c vÒ kÝch th−íc vá, cÊu t¹o ®Öm bªn trong. Víi lo¹i th¸p lµm viÖc ë ¸p suÊt trung b×nh th× phÇn trªn ®Æt hép ®ùng xóc t¸c, phÇn d−íi lµ bé phËn truyÒn nhiÖt. Vá th¸p cã líp çch nhiÖt ®Ó lo¹i trõ kh¶ n¨ng xuÊt hiÖn truyÒn nhiÖt c−ìng bøc ë thµnh vá mµ chØ xuÊt hiÖn hiÖu sè nhiÖt ®é gi÷a bÒ mÆt bªn trong vµ bªn ngoµi th¸p. Xóc t¸c ®−îc ®Æt trªn ghi, ®Ó ph©n phèi ®Òu ®Æn nhiÖt ®é trong líp xóc t¸c ng−êi ta ®Æt hai èng truyÒn nhiÖt. Hçn hîp nit¬ vµ hydro ®−a vµo th¸p tæng hîp tõ trªn xuèng d−íi qua kh«ng gian gi÷a vá th¸p vµ hép ®ùng xóc t¸c råi ®−îc ®èt nãng trong bé phËn truyÒn nhiÖt ë phÇn d−íi. Sau ®ã hçn hîp ®i vµo èng trung t©m chuyÓn lªn phÇn trªn cña hép ®ùng xóc t¸c qua èng truyÒn nhiÖt hai líp råi míi vµo líp xóc t¸c, l¹i qua bé phËn truyÒn nhiÖt vµ ®i ra khái th¸p tæng hîp. Thêi gian sö dông xóc t¸c trong th¸p tuú thuéc vµo ®é s¹ch cña khÝ, th−êng lµ hai n¨m. §Ó t¨ng thêi gian sö dông cña xóc t¸c cã thÓ dïng thªm líp xóc t¸c ®Ó t¨ng c−êng viÖc läc s¹ch khÝ khái çc t¹p chÊt CO, CO 2 , O 2 . Trong th¸p xóc t¸c bæ sung nµy cã thÓ dïng lo¹i xóc t¸c Ni-Cr ë nhiÖt ®é 300 ... 350 0 C, t¹i ®ã sÏ x¶y ra çc ph¶n øng: CO + 3H 2 CH 4 + H 2 O CO 2 + 4H 2 O CH4 + 2H 2 O O 2 + 2H 2 2H 2 O H¬i n−íc h×nh thµnh sÏ t¸ch ra ë th¸p ng−ng tô b»ng n−íc. 230 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn T¸ch l−u huúnh Reforming ChuyÓn ho¸ CO2 H¬i n−íc CO2 chuyÓn ho¸ KhÝ tù nhiªn Kh«ng khÝ KhÝ th¶i S¶n phÈm NH3 http://www.ebook.edu.vn Metanol th« Tæng hîp amoniac Metan ho¸ Tæng hîp metanol 231 H×nh XIII.4. S¬ ®å c«ng nghÖ tæng hîp ®ång thêi NH 3 vµ CH 3 OH cña h·ng Haldor Topsoe (§an M¹ch) Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Tr−íc ®©y trong c«ng nghiÖp ng−êi ta cã xu h−íng t¨ng l−îng s¶n phÈm NH 3 , gi¶m gi¸ thµnh b»ng çch gi¶m chi phÝ vÒ x©y dùng c¬ b¶n. Trong c«ng nghiÖp nit¬ ®−îc lÊy tõ kh«ng khÝ rÎ tiÒn, gi¶m ®−îc chi phÝ vÒ nguyªn liÖu ®ång thêi c¶i thiÖn ®iÒu kiÖn lao ®éng trong nhµ m¸y, vµ ®¬n gi¶n ho¸ s¬ ®å kü thuËt b»ng çch hoµn thiÖn çc ph−¬ng ph¸p lµm s¹ch khÝ. Dïng biÖn ph¸p chuyÓn ho¸ CO ë nhiÖt ®é thÊp sau ®ã metan ho¸ CO cßn l¹i sÏ ®¬n gi¶n qu¸ tr×nh lµm s¹ch khÝ, gi¶m ®−îc chi phÝ vÒ giai ®o¹n chuÈn bÞ hçn hîp nit¬ hydro. Yªu cÇu tû lÖ çc cÊu tö trong hçn hîp ph¶n øng N 2 : H 2 lµ 1 : 3. Ph−¬ng h−íng ph¸t triÓn cña c«ng nghiÖp hiÖn nay lµ sö dông nh÷ng thiÕt bÞ cã n¨ng suÊt cao, dïng nh÷ng xóc t¸c cã ho¹t tÝnh vµ ®é chän läc cao, cã tÝnh chÞu nhiÔm ®éc cao vµ lµm viÖc ë nhiÖt ®é thÊp. §Æc biÖt lµ sö dông thiÕt bÞ xóc t¸c kiÓu tÇng s«i ®Ó t¨ng kh¶ n¨ng tiÕp xóc cña hçn hîp khÝ ph¶n øng víi xóc t¸c. §é chuyÓn ho¸ hçn hîp ph¶n øng ®¹t 14 ... 20%. Qua bé ph©n t¸ch nhê lµm l¹nh NH 3 ng−ng tô khÝ ch−a ph¶n øng qua m¸y nÐn khÝ tuÇn hoµn trë l¹i thiÕt bÞ ph¶n øng: H×nh XIII.4 lµ s¬ ®å c«ng nghÖ tæng hîp ®ång thêi NH 3 vµ CH 3 OH cña h ng Haldor Topsoe (§an M¹ch) ®−îc ®−a ra n¨m 1997. ¦u ®iÓm cña s¬ ®å c«ng nghÖ nµy lµ cã thÓ linh ho¹t thay ®æi n¨ng suÊt theo çc s¶n phÈm NH 3 vµ CH 3 OH tuú theo nhu cÇu t¹i ®Þa ph−¬ng. 232 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Ch−¬ng XIV c«ng nghÖ tæng hîp axetylen Axetylen ®−îc s¶n xuÊt tõ hai nguån nguyªn liÖu chÝnh lµ cacbua canxi vµ hydrocacbon (ë d¹ng r¾n, láng hoÆc khÝ). HiÖn nay Mü vµ çc n−íc Ch©u ¢u s¶n xuÊt axetylen tõ hydrocacbon; cßn ë Italia, NhËt B¶n, Nam Phi, Ên §é axetylen ®−îc s¶n xuÊt tõ cacbua canxi. S¶n xuÊt axetylen tõ hydrocacbon lµ qu¸ tr×nh ®−îc ph¸t triÓn tõ nh÷ng n¨m 50 cña thÕ kû tr−íc. Trong c«ng nghÖ nµy hydrocacbon bÞ nhiÖt ph©n ë nhiÖt ®é cao (tíi 1100 ... 1500 0 C) trong ®iÒu kiÖn ®o¹n nhiÖt vµ thêi gian ph¶n øng rÊt ng¾n (tõ 0,005 ®Õn 0,02 gi©y). Sau ®ã s¶n phÈm ®−îc nhanh chãng lµm l¹nh ®Ó h¹ nhiÖt ®é xuèng nh»m h¹n chÕ çc ph¶n øng ph©n huû axetylen. XIV.1. C¬ së ho¸ lý cña qu¸ tr×nh ph©n huû Hydrocacbon ®Ó s¶n xuÊt axetylen XIV.1.1. C¬ së nhiÖt ®éng häc cña qu¸ tr×nh nhiÖt ph©n hydrocacbon Qu¸ tr×nh ph©n huû hydrocacbon ë nhiÖt ®é cao thµnh axetylen bao gåm nhiÒu ph¶n øng thuËn nghÞch. Víi nguyªn liÖu lµ hydrocacbon nhÑ (khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh), qu¸ tr×nh nhiÖt ph©n cã thÓ cã çc ph¶n øng sau: 2CH 4 2CH 4 C2H6 C2H6 C3H8 C3H8 C3H8 C 4 H 10 C 4 H 10 C 4 H 10 C2H4 C3H6 C 2 H 2 + 3H 2 C 2 H 4 + 2H 2 C2H4 + H2 C 2 H 2 + 2H 2 C 2 H 4 + CH 4 C3H6 + H2 1,5CH 2 + 2,5H 2 C2H4 + C2H6 C4H8 + H2 2C 2 H 2 + 3H 2 C2H2 + H2 1,5C 2 H 2 + 1,5H 2 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 233 Çc ph¶n øng nµy ®Òu lµ çc ph¶n øng thu nhiÖt ®iÓn h×nh vµ lµ ph¶n øng t¨ng thÓ tÝch. Qu¸ tr×nh thùc hiÖn ë nhiÖt ®é cao vµ thêi gian ng¾n do çc tÝnh chÊt nhiÖt ®éng cña çc hydrocacbon. Trªn h×nh XIV.1 biÓu diÔn n¨ng l−îng tù do Gibbs cña çc hydrocacbon phô thuéc vµo nhiÖt ®é. Tõ ®å thÞ trªn h×nh XIV.1 thÊy r»ng, ë nhiÖt ®é th−êng axetylen kh«ng thÓ t¹o thµnh tõ çc hydrocacbon kh¸c. Tõ ®å thÞ còng cho thÊy n¨ng l−îng tù do Gibbs cña axetylen gi¶m khi t¨ng nhiÖt ®é trong khi n¨ng l−îng tù do Gibbs cña çc hydrocacbon kh¸c l¹i t¨ng lªn. ë nhiÖt ®é cao h¬n 1230 0 C axetylen æn ®Þnh h¬n çc hydrocacbon kh¸c. §−êng n¨ng l−îng tù do Gibbs cña axetylen c¾t çc ®−êng kh¸c t¹i nhiÖt ®é cao h¬n víi çc hydrocacbon cã m¹ch cacbon trong ph©n tö ng¾n h¬n. §iÒu ®ã cã nghÜa lµ qu¸ tr×nh s¶n xuÊt axetylen tõ metan ®ßi hái thùc hiÖn ë nhiÖt ®é cao h¬n qu¸ tr×nh s¶n xuÊt tõ çc hydrocacbon nÆng h¬n. 140 120 C 2H 2 ΔG f ,kJ/mol 100 80 60 C 2H 4 C 3H 6 40 CH4 C 3H 6 n-C4H10 20 C 2H 6 0 C (r¾n) , H 2 (khÝ) −20 −40 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 NhiÖt ®é, K H×nh XIV.1. N¨ng l−îng tù do Gibbs cña çc hydrocacbon phô thuéc vµo nhiÖt ®é §−êng cong c©n b»ng cña ph¶n øng nhiÖt ph©n metan phô thuéc vµo nhiÖt ®é ®−îc m« t¶ trªn h×nh XIV.2 cho thÊy axetylen b¾t ®Çu ®−îc t¹o thµnh ë nhiÖt ®é cao h¬n 1000 K (730 0 C). Nh− vËy qu¸ tr×nh ®ßi hái ph¶i thùc hiÖn ë nhiÖt ®é cao vµ cÇn ph¶i cung cÊp n¨ng l−îng kh¸ lín. 234 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Axetylen, % thÓ tÝch 28 24 20 16 12 8 4 0 1100 1200 1400 1600 NhiÖt ®é, K 1800 2000 H×nh XIV.2. §−êng cong c©n b»ng cña ph¶n øng nhiÖt ph©n metan phô thuéc vµo nhiÖt ®é Tuy nhiªn ngay c¶ ë nhiÖt ®é cao axetylen vÉn kÐm bÒn h¬n çc cÊu tö t¹o nªn axetylen tøc lµ kÐm bÒn h¬n C vµ H 2 nh− trªn h×nh XIV.1. Sù chªnh lÖch nhiÖt ®é gi÷a axetylen víi C vµ H2 tån t¹i tíi 4200 K: C2H2 2C (R) + H 2(K) ; −ΔG 298 = −209,3 kJ/mol Qu¸ tr×nh ph©n huû t¹o muéi cacbon theo çc ph¶n øng sau: CH 4 C + 2H 2 C2H6 2C + 3H 2 C2H4 2C + 2H 2 C2H2 2C + H 2 Nh− vËy, chÝnh axetylen t¹o thµnh còng bÞ ph©n huû nÕu ®iÒu kiÖn ph¶n øng thÝch hîp cho qu¸ tr×nh t¹o muéi cacbon. Qu¸ tr×nh t¹o muéi x¶y ra m nh liÖt ë kho¶ng nhiÖt ®é 1200 ... 1600 0 C, nghÜa lµ ë vïng nhiÖt ®é ph¶n øng. §Ó h¹n chÕ qu¸ tr×nh t¹o muéi ph¶i gi¶m nhanh nhiÖt ®é hçn hîp khÝ ph¶n øng b»ng çch phun n−íc hoÆc phun dÇu, gäi lµ qu¸ tr×nh “t«i” b»ng n−íc hoÆc b»ng dÇu. Ng−êi ta thÊy r»ng, víi ph¶n øng ph©n huû axetylen, ¸p suÊt kh«ng ¶nh h−ëng mµ yÕu tè chÝnh ¶nh h−ëng ®Õn ph¶n øng lµ nhiÖt ®é vµ thêi gian ph¶n øng. NhiÖt ®é cµng cao, thêi gian ph¶n øng cµng dµi, sù ph©n huû axetylen cµng t¨ng, hµm l−îng axetylen thu ®−îc cµng thÊp. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 235 XIV.1.2. C¬ chÕ cña qu¸ tr×nh Qu¸ tr×nh nhiÖt ph©n hydrocacbon ë nhiÖt ®é cao x¶y ra theo çc ph¶n øng thuËn nghÞch sau: 2CH 4 C 2 H 2 + 3H 2 ΔH 298 = 376 kJ/mol C2H6 C 2 H 2 + 2H 2 ΔH 298 = 311 kJ/mol Çc ph¶n øng trªn lµ ph¶n øng thu nhiÖt, c©n b»ng chuyÓn dÞch theo chiÒu thuËn ë nhiÖt ®é 1000 ... 13000 C. Thùc tÕ ®Ó ®¹t vËn tèc ph¶n øng ®ñ lín, qu¸ tr×nh cÇn thùc hiÖn ë nhiÖt ®é cao h¬n, cô thÓ ë 1500 ... 16000 C víi CH 4 , cßn ®èi víi çc hydrocacbon láng qu¸ tr×nh thùc hiÖn ë 1200 0 C. Ph¶n øng x¶y ra theo c¬ chÕ chuçi gèc: CH 4 CH 2 + H 2 CH 2 + CH 4 C2H6 C2H6 C2H4 + H2 C2H4 C2H2 + H2 C2H2 2C + H2 NhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu cho thÊy sù t¹o thµnh axetylen tiÕn hµnh qua giai ®o¹n trung gian t¹o thµnh CH 3 , CH 2 , CH. Qu¸ tr×nh ph©n huû metan cã c¬ chÕ chuçi gèc nh− sau: CH 4 −2H 2 CH 3 CH 3 –CH 3 −2H 2 CH 2 −2H2 CH 2 =CH 2 −2H −2H2 2 CH CH≡CH Çc gèc CH cã thÓ trïng hîp: n(CH≡) C n H 2n n(CH≡) C n H n-m + 0,5mH 2 Trong hçn hîp s¶n phÈm khÝ thu ®−îc ngoµi nh÷ng parafin vµ olefin thÊp cßn cã mét l−îng kh«ng lín benzen, hydrocacbon, nhãm axetylen − metyl axetylen CH 3 –C≡CH còng nh− vinyl axetylen CH 2 =CH–C≡CH vµ diaxetylen CH≡C–C≡CH, ... XIV.1.3. §éng häc qu¸ tr×nh nhiÖt ph©n çc hydrocacbon nguyªn liÖu HiÖu suÊt axetylen trong qu¸ tr×nh nhiÖt ph©n hydrocacbon ®−îc x¸c 236 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ®Þnh b»ng ®éng häc tiÕn hµnh ph¶n øng: tèc ®é t¹o thµnh axetylen cÇn ph¶i cao h¬n tèc ®é ph©n huû nã thµnh çc chÊt ®¬n gi¶n. V× thÕ ®Ó ®¹t ®−îc hiÖu suÊt cao víi s¶n phÈm chÝnh lµ axetylen cÇn ph¶i h¹n chÕ çc ph¶n øng kh«ng mong muèn b»ng çch lµm l¹nh nhanh s¶n phÈm ph¶n øng (qu¸ tr×nh “t«i”). Qu¸ tr×nh ph©n huû tõng hîp chÊt riªng biÖt cña hçn hîp hydrocacbon khÝ ®−îc gi¶ thuyÕt nh− sau: Qu¸ tr×nh ph©n huû metan lµ ph¶n øng bËc 1, tèc ®é cña nã cã thÓ thiÕt lËp theo ph−¬ng tr×nh sau, tho¶ m n cho ®Õn 15000C: − dc = k.C1 hay dr ln C1 = k.(τ 2 − τ 1 ) C2 ë ®©y C 1 vµ C 2 lµ nång ®é cña metan vµo vµ ra khái vïng ph¶n øng (tÝnh b»ng phÇn mol); τ 2 − τ 1 lµ thêi gian ph¶n øng (gi©y). H»ng sè tèc ®é cña ph¶n øng phô thuéc vµo nhiÖt ®é theo ph−¬ng tr×nh: 17,352 15,700 vµ lgk = 11,230 − T T Ph−¬ng tr×nh thø 2 nghiÖm ®óng víi qu¸ tr×nh ph©n huû metan trong kho¶ng nhiÖt ®é, ¸p suÊt vµ nång ®é réng h¬n. lgk = 11,864 − NÕu nhiÖt ph©n etan ë 650 ... 700 0 C vµ thêi gian tiÕp xóc lín h¬n 0,25 gi©y th× chñ yÕu nhËn ®−îc hydro, metan vµ s¶n phÈm láng. Khi nhiÖt ®é cao h¬n (800 ... 900 0 C) sÏ t¹o ra etylen lµ chÝnh vµ mét l−îng rÊt nhá axetylen. B¾t ®Çu tõ 1000 0 C, axetylen trë thµnh cÊu tö chÝnh, cßn etylen kh«ng cã hoÆc cã víi l−îng kh«ng ®¸ng kÓ. Ph−¬ng tr×nh tèc ®é ph©n huû etan nh− sau: − dC C 2 H 6 = k.CC 2 H6 dT Gi¸ trÞ h»ng sè tèc ®é k ë çc nhiÖt ®é kh¸c nhau xem ë b¶ng d−íi ®©y: Thêi gian tiÕp xóc (gi©y) H»ng sè tèc ®é • ë 750 C vµ 1 atm 0,38 2,90 13,10 0 1,74 0,50 0,13 • ë 1700 0 C vµ 0,07 atm 0,28.10 − 3 0,41.10 − 3 0,88.10 − 3 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 7800 9550 5850 237 Etylen ë 600 0 C ch−a ph©n huû t¹o thµnh axetylen. B¾t ®Çu tõ 800 0 C th× axetylen lµ s¶n phÈm chÝnh cña qu¸ tr×nh ph©n huû etylen. Khi t¨ng nhiÖt ®é, tèc ®é ph©n huû etylen vµ møc ®é chuyÓn ho¸ thµnh axetylen t¨ng lªn. Khi nhiÖt ®é cao h¬n 1000 0 C, víi thêi gian tiÕp xóc cì mili gi©y sÏ t¹o thµnh mét l−îng muéi cacbon ®¸ng kÓ. Gi¶m ¸p suÊt vµ pha lo ng hçn hîp ph¶n øng sÏ lµm chËm tèc ®é ph©n huû vµ polyme ho¸ etylen, n©ng cao hiÖu suÊt axetylen. NhiÖt ph©n propan x¶y ra theo ph−¬ng tr×nh bËc 1: − dC C 3 H 8 dT = K .CC 3H8 vµ gi¸ trÞ h»ng sè tèc ®é ®−îc tÝnh theo ph−¬ng tr×nh: lgk = 13,46 − 63,300 2,3 RT phï hîp víi çc sè liÖu thùc nghiÖm ®èi víi nhiÖt ®é trªn 700 0 C. Sù ph©n huû propan x¶y ra theo hai h−íng c¬ b¶n: C3H8 C 2 H 4 + CH 4 C3H8 C3H6 + H2 Propylen ®−îc t¹o thµnh trong ®iÒu kiÖn ph¶n øng còng bÞ ph©n huû thµnh etylen vµ metan. NhiÖt ®é qu¸ tr×nh cã ¶nh h−ëng râ rÖt ®Õn thµnh phÇn s¶n phÈm: ë 600 ... 700 0 C ng−êi ta nhËn ®−îc etylen vµ propylen víi tû lÖ 1:1; ë nhiÖt ®é cao h¬n 1000 0 C nhËn ®−îc axetylen víi hiÖu suÊt lín do ph©n huû etylen vµ propylen. Nh− vËy axetylen nhËn ®−îc khi nhiÖt ph©n propan lµ do qu¸ tr×nh ph©n huû çc s¶n phÈm bËc nhÊt nh− etylen vµ propylen. Thay ®æi ¸p suÊt tõ 1 ®Õn 7 atm Ýt ¶nh h−ëng ®Õn thµnh phÇn cña s¶n phÈm cuèi khi nhiÖt ph©n parafin. ChØ khi ¸p suÊt thÊp h¬n ¸p suÊt khÝ quyÓn, thµnh phÇn s¶n phÈm b¾t ®Çu phô thuéc vµo ¸p suÊt riªng phÇn ban ®Çu cña parafin. V× thÕ khi nhiÖt ph©n metan, etan, propan, ®iÒu kiÖn ®Ó nhËn axetylen víi hiÖu suÊt cao lµ ¸p suÊt riªng phÇn cña hydrocacbon nhá, nhiÖt ®é cao vµ thêi gian ph¶n øng rÊt ng¾n. Qu¸ tr×nh nhiÖt ph©n butan còng x¶y ra trong ®iÒu kiÖn t−¬ng tù nh− nhiÖt ph©n propan. Çc s¶n phÈm ph©n huû n-butan lµ: butan-1, butan-2, hydro, metan, etan, etylen vµ propylen. Khi t¨ng nhiÖt ®é, s¶n phÈm chñ yÕu cña qu¸ tr×nh nhiÖt ph©n butan lµ axetylen vµ etylen. 238 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Trong c«ng nghiÖp, nguyªn liÖu ®−îc sö dông chñ yÕu lµ hçn hîp çc hydrocacbon nh−: ph©n ®o¹n etan-propan, propan-propylen hay butanbutylen... §éng häc nhiÖt ph©n çc hçn hîp hydrocacbon nh− vËy ch−a ®−îc nghiªn cøu ®Çy ®ñ, tuy nhiªn cã thÓ thÊy r»ng sù ph©n huû hydrocacbon nµo ®ã cã trong hçn hîp sÏ bÞ ¶nh h−ëng khi cã mÆt çc hydrocacbon kh¸c. XIV.1.4. §éng häc t¹o thµnh vµ ph©n huû axetylen ë nhiÖt ®é cao, axetylen ®−îc t¹o thµnh sÏ tiÕp tôc bÞ ph©n huû vµ tham gia vµo çc ph¶n øng phô kh¸c nh− polyme ho¸, t¹o muéi cacbon... lµm gi¶m hiÖu suÊt axetylen. §èi víi nguyªn liÖu lµ khÝ tù nhiªn, cÊu tö metan chiÕm chñ yÕu (trªn 90%). Sù t¹o thµnh axetylen khi nhiÖt ph©n metan chØ b¾t ®Çu x¶y ra khi nhiÖt ®é cao h¬n 12000C, ®ång thêi thêi gian ph¶n øng rÊt nhá (cì mili gi©y). §Ó ®¹t ®é chuyÓn ho¸ cao th× yªu cÇu nhiÖt ®é cao h¬n (gÇn 1700 0 C) vµ thêi gian ph¶n øng nhá h¬n (cì phÇn m−êi mili gi©y). VÝ dô ë 1700 ... 1800 0 C vµ thêi gian ph¶n øng lµ 0,1 ... 0,5 mili gi©y, ®é chuyÓn ho¸ vµo kho¶ng tõ 60 ®Õn 80%. HiÖu suÊt axetylen t¨ng khi t¨ng nhiÖt ®é vµ gi¶m thêi gian ph¶n øng nh− kÕt qu¶ nhËn ®−îc trªn h×nh XIV.3. §é chuyÓn ho¸, % 100 75 50 25 0 1200 1400 0,2 0,1 0,005 1600 NhiÖt ®é ph¶n øng , 0 C 0,004 Thêi gian ph¶n øng, gi©y H×nh XIV.3. §å thÞ phô thuéc ®é chuyÓn ho¸ metan vµo nhiÖt ®é vµ thêi gian ph¶n øng Nh− vËy tån t¹i thêi gian ph¶n øng thÝch hîp t¹i mét nhiÖt ®é ph¶n øng nhÊt ®Þnh cho phÐp ®¹t ®−îc hiÖu suÊt axetylen lµ cùc ®¹i. Ph¶n øng t¹o thµnh axetylen khi nhiÖt ph©n metan lµ ph¶n øng bËc 1: dC = C(k1 + k 2 ) dτ trong ®ã k1 lµ h»ng sè tèc ®é t¹o thµnh axetylen, k 2 lµ n»ng sè tèc ®é ph©n huû metan thµnh C vµ H2 . C = C0 .e −(k1 + k 2 ) vµ − http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 239 L−îng metan biÕn ®æi thµnh axetylen ®−îc tÝnh nh− sau: C′ = [ k1 C0 .k1 1 ( C0 − C ) = 1 − e −(k1 + k 2 ) 2 k1 + k 2 2(k1 + k 2 ) ] Nh−ng thùc tÕ l−îng axetylen nhËn ®−îc nhá h¬n l−îng metan chuyÓn ho¸ thµnh v× x¶y ra ph¶n øng ph©n huû axetylen: C ′′ = C ′.e − k 3τ tõ ®ã: C ′′ = vµ [ dC ′ = k3 .C ′ dτ ] C0 .k1 1 − e − (k1 + k 2 ) C − k 3 2(k1 + k 2 ) víi k 3 lµ h»ng sè tèc ®é ph©n huû axetylen thµnh C vµ H 2 . Nång ®é cùc ®¹i cña axetylen ë thêi gian ph¶n øng thÝch hîp lµ: k + k 2 + k3 1 Cmax = ⋅ ln 1 k1 + k 2 k3 HiÖu suÊt cracking hiÖu dông (tøc lµ møc ®é biÕn ®æi metan ®Õn axetylen) lµ: η= k1 2C" .e − k 3τ = C0 − C k1 + k 2 khi τ = 0 th× η = 100%. ë nhiÖt ®é tõ 1200 ®Õn 1500 0 C, tèc ®é ph©n huû axetylen nhá h¬n ®¸ng kÓ so víi tèc ®é t¹o thµnh nã vµ ®ã chÝnh lµ yÕu tè ®éng häc c¬ b¶n cho phÐp nhËn axetylen. Tû sè gi÷a tèc ®é t¹o thµnh vµ ph©n huû axetylen cã thÓ ®iÒu chØnh ®−îc b»ng çch thay ®æi ¸p suÊt. Khi gi¶m ¸p suÊt, tû sè nµy t¨ng lªn, cô thÓ khi gi¶m ¸p suÊt tõ 0,197 xuèng 0,039 atm tû sè tèc ®é t¹o thµnh vµ ph©n huû axetylen t¨ng lªn 3 lÇn. Çc qu¸ tr×nh nhiÖt ph©n metan ®Õn axetylen cã thÓ xem nh− tËp hîp çc ph¶n øng ph©n huû metan, etan, etylen, vµ axetylen. 2CH 4 C2H6 C2H4 C2H2 C2H6 + H2 ; C2H4 + H2 ; C2H2 + H2 ; 2C + H 2 ; k 1 = 4,5.10 13 .e − 91000/RT 13 k 2 = 9.10 .e − 69/RT 8 k 3 = 2,57.10 .e 6 k 4 = 1,7.10 .e − 40/RT − 3000/RT (1) (2) (3) (4) Sù phô thuéc vµo nhiÖt ®é cña çc h»ng sè tèc ®é cña çc ph¶n øng tõ (1) ®Õn (4) ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh XIV.4. 240 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn lgk 5 4 3 k2 2 k1 1 k4 k3 2500 2000 1800 1500 1250 1000 tOC H×nh XIV.4. §å thô phô thuéc çc h»ng sè tèc ®é ph¶n øng vµo nhiÖt ®é Tõ ®å thÞ thÊy r»ng, trong kho¶ng nhiÖt ®é 1500 ... 2500 0 C h»ng sè tèc ®é ph©n huû etan k 2 lín h¬n 3 lÇn h»ng sè tèc ®é t¹o thµnh k 1 (nghÜa lµ k 2 > k 1 ). V× vËy trong thùc tÕ khi nhiÖt ph©n metan nång ®é etan nhËn ®−îc rÊt nhá, vµ ngay c¶ ë nhiÖt ®é cao nång ®é cña etan trong s¶n phÈm còng kh«ng cao. Trªn h×nh XIV.5 ®−a ra kÕt qu¶ tÝnh to¸n ®é chuyÓn ho¸ cña metan thµnh axetylen vµ møc ®é ph©n huû axetylen ë nhiÖt ®é 1900 0 C theo çc ph¶n øng: 2CH 4 C 2 H 2 + 3H 2 C2H2 2C + H 2 C, % 100 75 50 25 0 0 1 2 3 4 5 τ, mili gi©y H×nh XIV.5. §å thÞ hiÖu suÊt nhËn s¶n phÈm axetylen phô thuéc thêi gian ph¶n øng ë nhiÖt ®é 1900 0 C Sù phô thuéc cña ®é chuyÓn ho¸ vµo h»ng sè tèc ®é vµ thêi gian ph¶n øng τ ®−îc biÓu diÔn b»ng ph−¬ng tr×nh: ε= k1 .e − k1τ − e k 4 τ k 4 − k1 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 241 Tõ ®ã x¸c ®Þnh ®−îc ®é chuyÓn ho¸ cùc ®¹i metan thµnh axetylen ε max vµ thêi gian thÝch hîp τ op lµ: ε max = [ 1 e − rln ( τ/r −1) − e − ln ( τ/r −1) 1− r τ op = ] lnr (r − 1)k trong ®ã r = k 4 / k 1 , víi k lµ h»ng sè tèc ®é chuyÓn ho¸ metan thµnh axetylen. Trong ®iÒu kiÖn s¶n xuÊt, ®Ó h¹n chÕ çc ph¶n øng ph©n huû, polyme ho¸ çc s¶n phÈm, ng−êi ta thùc hiÖn qu¸ tr×nh “t«i” s¶n phÈm b»ng çch t−íi trùc tiÕp n−íc vµo s¶n phÈm. Khi ®ã cã thÓ x¶y ra ph¶n øng gi÷a axetylen vµ h¬i n−íc: C 2 H 2 + 2H 2 O 2CO + 3H 2 Tèc ®é cña ph¶n øng nµy th−êng kh«ng lín vµ khi cã sù gi¶m ®ét ngét nhiÖt ®é khi “t«i” ph¶n øng nµy thùc tÕ kh«ng x¶y ra. Trong ®iÒu kiÖn cña qu¸ tr×nh kh«ng nh÷ng chØ ph©n huû t¹o C vµ H 2 mµ cßn t¹o thµnh çc hîp chÊt kh«ng no kh¸c nhau. V× thÕ trong hçn hîp khÝ nhiÖt ph©n cßn cã c¶ H 2 , metan, etan, etylen, vinyl axetylen, benzen... XIV.2. C«ng nghÖ s¶n xuÊt axetylen XIV.2.1. Lùa chän nguyªn liÖu ®Ó s¶n xuÊt axetylen Nguyªn liÖu ®Ó s¶n xuÊt axetylen cã thÓ sö dông çc hydrocacbon ë d¹ng khÝ hoÆc láng hoÆc hçn hîp cña chóng. Tuy nhiªn thµnh phÇn ho¸ häc cña nguyªn liÖu lµ mét yÕu tè quan träng quyÕt ®Þnh ®Õn hiÖu suÊt çc s¶n phÈm chÝnh cña qu¸ tr×nh (axetylen vµ etylen...). KÕt qu¶ tèt nhÊt nhËn ®−îc khi nhiÖt ph©n n-parafin, ®ång thêi nhiÖt ph¶n øng phô thuéc trùc tiÕp vµo khèi l−îng ph©n tö cña hydrocacbon nguyªn liÖu. VÝ dô: 2CH 4 C 2 H 2 + 3H 2 ; ΔH 298 = + 89,97 kcal/mol C2H6 C 2 H 2 + 2H 2 ; ΔH 298 = + 71,4 kcal/mol 2C 3 H 8 3C 2 H 2 + 5H 2 ; ΔH 298 = + 70,9 kcal/mol C 4 H 10 2C 2 H 2 + 3H 2 ; ΔH 298 = + 69,3 kcal/mol Nh− vËy tõ çc ph−¬ng tr×nh ph¶n øng cho thÊy ph¶n øng t¹o axetylen tõ metan ®Õn butan cã kh¶ n¨ng x¶y ra, trong ®ã nhiÖt ph©n metan tèn nhiÒu n¨ng l−îng h¬n c¶. NhiÖt ph©n izo-parafin vµ naphta cho hiÖu suÊt cao. 242 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Nguyªn liÖu kÐm hiÖu qu¶ nhÊt lµ hydrocacbon th¬m, khi ph©n huû, l−îng axetylen nhËn ®−îc kh«ng ®¸ng kÓ mµ l¹i t¹o nhiÒu cèc, nhùa. Thµnh phÇn cña nguyªn liÖu x¸c ®Þnh nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cña qu¸ tr×nh. Khèi l−îng ph©n tö cña hydrocacbon nguyªn liÖu cµng lín, ®é bÒn nhiÖt cµng thÊp nªn nhiÖt ®é ph¶n øng thÝch hîp còng gi¶m xuèng. Metan nhiÖt ph©n ë nhiÖt ®é cao nhÊt, th−êng lµ h¬n 1400 0 C vµ thêi gian l−u cña nã trong vïng ph¶n øng nhá nhÊt (nhá h¬n 0,01 gi©y). Qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ metan ë ¸p suÊt d− tõ 0,1 ®Õn 0,2 atm x¶y ra tíi ®é s©u ph©n huû lµ 30% vµ nång ®é axetylen trong khÝ ®¹t ®−îc vµo kho¶ng 10% theo thÓ tÝch. Etan lµ nguyªn liÖu tiÖn lîi ®Ó s¶n xuÊt axetylen. NÕu nhiÖt ph©n ë nhiÖt ®é võa ph¶i, nã lµ nguyªn liÖu tèt nhÊt ®Ó nhËn etylen, ë nhiÖt ®é cao hiÖu suÊt axetylen tõ nguyªn liÖu lµ etan còng rÊt lín. Víi ®iÒu kiÖn qu¸ tr×nh thùc hiÖn ë nhiÖt ®é 14000 C vµ ¸p suÊt 0,065 atm, thêi gian tiÕp xóc 0,05 gi©y, hiÖu suÊt axetylen ®¹t cùc ®¹i 17% thÓ tÝch. Propan vµ butan còng nh− çc parafin nÆng h¬n còng ®−îc sö dông ®Ó s¶n xuÊt axetylen, ®ång thêi nhËn etylen vµ çc olefin kh¸c. Ngoµi ra ng−êi ta cã thÓ dïng c¶ x¨ng hay ph©n ®o¹n keroxen ®Ó lµm nguyªn liÖu. Khi t¨ng tû träng cña nguyªn liÖu, hiÖu suÊt tæng céng çc hydrocacbon kh«ng no (axetylen, etylen...) cã t¨ng nh−ng hiÖu suÊt nhùa vµ cèc còng t¨ng lªn ®¸ng kÓ. Trong qu¸ tr×nh nhiÖt ph©n, chÕ ®é nhiÖt lµ yÕu tè c¬ b¶n x¸c ®Þnh hiÖu suÊt çc s¶n phÈm. §Ó ®iÒu khiÓn chÕ ®é nhiÖt, ng¨n ngõa sù t¹o muéi cacbon vµ t¹o nhùa trong lß ph¶n øng, ng−êi ta th−êng pha thªm h¬i n−íc vµo. §Ó ®¸nh gi¸ hiÖu suÊt axetylen trong qu¸ tr×nh nhiÖt ph©n, ng−êi ta dïng hai ®¹i l−îng: ®é chuyÓn ho¸ tæng céng (cßn gäi lµ hÖ sè nhiÖt ph©n tæng céng) vµ ®é chuyÓn ho¸ ®Õn axetylen (cßn gäi lµ hÖ sè nhiÖt ph©n h÷u Ých) ®−îc ®Þnh nghÜa nh− sau: Q= Tæng sè mol axetylen vµ olefin Tæng sè mol nguyª n liÖu X = Sè mol axetylen Tæng sè mol nguyª n liÖu Ngoµi ra ®Ó ®Æc tr−ng cho qu¸ tr×nh ng−êi ta cßn dïng ®¹i l−îng ®é s©u ph©n huû nguyªn liÖu ban ®Çu ®Õn çc chÊt ®¬n gi¶n (C, H 2 ). Th«ng th−êng ng−êi ta ph¸n ®o¸n ®é s©u ph©n huû theo tû träng cña khÝ s¶n phÈm v× nã lµ ®¹i l−îng tû lÖ nghÞch víi ®é s©u ph©n huû. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 243 XIV.2.2. Çc c«ng nghÖ s¶n xuÊt axetylen §Ó s¶n xuÊt axetylen ng−êi ta dïng ph¶n øng nhiÖt ph©n hydrocacbon ë nhiÖt ®é cao. Tuú theo çch cÊp nhiÖt ®Ó thùc hiÖn ph¶n øng nhiÖt ph©n hydrocacbon thµnh axetylen mµ ng−êi ta chia thµnh nhãm çc ph−¬ng ph¸p sau: − Qu¸ tr×nh nhiÖt ®iÖn − Qu¸ tr×nh oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn. XIV.2.2.1. Qu¸ tr×nh nhiÖt ®iÖn B¶n chÊt cña qu¸ tr×nh lµ sù phãng ®iÖn trong m«i tr−êng hydrocacbon khÝ, sÏ x¶y ra sù ®èt nãng côc bé hçn hîp khÝ vµ c¾t m¹ch çc ph©n tö cña nã thµnh çc gèc tù do, t¸i hîp çc gèc tù do nµy dÉn tíi t¹o thµnh axetylen vµ çc ®ång ®¼ng cña nã, muéi cacbon, hydro vµ çc hydrocacbon cao h¬n. Qu¸ tr×nh nhiÖt ®iÖn cã nh÷ng −u ®iÓm sau: − Nguån n¨ng l−îng cÊp cho qu¸ tr×nh kh«ng phô thuéc vµo nguyªn liÖu hydrocacbon. − Tiªu hao hydrocacbon cã thÓ gi¶m ®Õn 50%. − Víi ®iÒu kiÖn n¨ng l−îng ®iÖn cã s½n vµ rÎ th× sö dông qu¸ tr×nh nµy kinh tÕ h¬n. N¨m 1962, h ng Dupont (Mü) ® ph¸t minh ra lo¹i lß hå quang víi çc ®iÖn cùc ®ång trôc ®Ó s¶n xuÊt axetylen tõ hydrocacbon khÝ. Theo ph−¬ng ph¸p nµy ® x©y dùng thiÕt bÞ c«ng nghiÖp víi n¨ng suÊt 25 tÊn C 2 H 2 /n¨m. Sau nµy, ph−¬ng ph¸p ngµy cµng hoµn thiÖn, ng−êi ta ®−a thªm vµo hçn hîp ph¶n øng sau khi ra khái vïng tia löa ®iÖn mét l−îng nguyªn liÖu míi, nhê thÕ nhiÖt ®é cña hçn hîp khÝ gi¶m tõ 1500 ... 1600 0 C xuèng 800 ... 10000 C. Sö dông nhiÖt l−îng cña khÝ ph¶n øng ë giai ®o¹n nµy cña qu¸ tr×nh ® n©ng cao ®−îc hiÖu suÊt axetylen vµ etylen trªn mét ®¬n vÞ ®iÖn n¨ng tiªu hao. Qu¸ tr×nh hai giai ®o¹n ® ®−îc çc h ng Chemishe-Werke Hü ls vµ Dupont ¸p dông trong c«ng nghiÖp. Sau nµy qu¸ tr×nh nhiÖt ®iÖn ®Ó s¶n xuÊt axetylen b»ng dßng plasma nhiÖt ®é thÊp cña hydro hay argon. §iÒu ®ã cho phÐp gi¶m ®−îc 20 ... 30% tiªu hao ®iÖn n¨ng trªn mét ®¬n vÞ axetylen th−¬ng phÈm. Nguyªn liÖu cña qu¸ tr×nh lµ hydrocacbon khÝ, láng hoÆc r¾n, cã thÓ sö dông than. CÊu tróc lß hå quang vµ s¬ ®å tinh chÕ s¶n phÈm thÝch hîp 244 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn cho çc lo¹i nguyªn liÖu hydrocacbon kh¸c nhau. Víi nguyªn liÖu lµ hydrocacbon d¹ng khÝ, chØ cã thÓ sö dông qu¸ tr×nh mét giai ®o¹n cho hå quang tiÕp xóc trùc tiÕp víi dßng khÝ. Cßn víi nguyªn liÖu láng hoÆc r¾n, cã thÓ sö dông qu¸ tr×nh mét giai ®o¹n hoÆc hai giai ®o¹n. §Çu tiªn hydro ®−îc ®èt nãng trong lß ®èt, sau ®ã nguyªn liÖu láng hoÆc r¾n ®−îc phun vµo dßng plasma hydro. H×nh XIV.6 m« t¶ hai kiÓu lß hå quang. Trong c¶ hai qu¸ tr×nh nhiÖt ph©n cã t¹o thµnh hydro nªn ë c¶ hai qu¸ tr×nh mét giai ®o¹n vµ hai giai ®o¹n, hå quang ch¸y trong m«i tr−êng hydro. Nguån ®iÖn Nguån ®iÖn Cat«t Cat«t Líp çch ®iÖn Líp çch ®iÖn Nguyªn liÖu Buång trén Hå quang ®iÖn Hydro Buång trén An«t Plasma hydro “t«i” s¬ bé “t«i” Nguyªn liÖu An«t “t«i” H×nh XIV.6. Lß hå quang ®iÖn cña H ls víi nguyªn liÖu lµ khÝ, láng hoÆc r¾n Qu¸ tr×nh nhiÖt ®iÖn ®−îc thùc hiÖn trong thiÕt bÞ ph¶n øng dßng mét chiÒu c«ng suÊt 8200 kW. §iÖn ¸p t¹o hå quang lµ 7000 V, c−êng ®é dßng ®iÖn lµ 1150 A, hÖ sè cos ϕ = 0,7 ... 0,75. ChiÒu dµi cña buång hå quang cã thÓ tíi 1 m. Çc ®iÖn cùc ®−îc lµm l¹nh b»ng n−íc. TÊt c¶ çc phÇn cña thiÕt bÞ ph¶n øng ®−îc chÕ t¹o b»ng thÐp. Nguyªn liÖu lµ khÝ hydrocacbon ®−îc ®−a vµo buång trén theo h−íng tiÕp tuyÕn víi thµnh buång, do ®ã t¹o nªn dßng xo¸y chuyÓn ®éng xuèng an«t. NhiÖt ®é trung b×nh cña khÝ lµ 1600 0 C. Hå quang ®iÖn do t¸c dông chuyÓn ®éng quay cña dßng khÝ mµ còng quay trßn chuyÓn ®éng xuèng an«t http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 245 phÝa d−íi. Khi ®ã çc ®iÓm ch¹m cña hå quang vµo thµnh ®iÖn cùc lu«n lu«n thay ®æi, ®iÒu ®ã cho phÐp tr¸nh ®−îc sù ®èt ch¸y ®iÖn cùc. Khi nhiÖt ®é cña hçn hîp khÝ gi¶m xuèng 800 0 C, ng−êi ta phun n−íc vµo ®Ó “t«i” s¶n phÈm khÝ, nhanh chãng h¹ nhiÖt ®é xuèng cßn kho¶ng 180 ... 200 0 C. ë nhiÖt ®é nµy dïng xyclon cã thÓ t¸ch kho¶ng 60% muéi. Sau ®ã röa b»ng n−íc (hoÆc dÇu) ®Ó t¸ch hÕt cÆn muéi vµ nhùa, råi ®−a ®i chÕ biÕn thu håi axetylen, etylen... Khi dïng nguyªn liÖu lµ khÝ tù nhiªn víi thµnh phÇn (% thÓ tÝch): Metan Etan Propan 92,3% 1,4% 0,5% Butan Nit¬ 0,4% 5,4% ng−êi ta thu ®−îc khÝ s¶n phÈm cã thµnh phÇn (% thÓ tÝch) nh− sau: Axetylen Metyl axetylen Diaxetylen Dimetyl axetylen Vinyl axetylen Metyl vinyl axetylen Etylen Propylen Butylen 14,5 0,4 0,6 0,1 0,01 0,04 0,9 0,02 0,02 Metan Etan Propan Benzen Toluen Hydro Oxit cacbon Nit¬ 16,3 0,03 0,02 0,3 0,02 63,46 0,6 2,7 Tèc ®é n¹p nguyªn liÖu khÝ tù nhiªn lµ 2400 m3 /h, thêi gian l−u cña khÝ trong lß hå quang kho¶ng vµi mili gi©y vµ s¶n phÈm thu ®−îc gåm: 680 kg axetylen, 46 kg etylen, 1900 m 3 H 2 vµ 145 kg muéi. Ngoµi ra cßn çc ®ång ®¼ng cña axetylen (1,15% thÓ tÝch). L−îng muéi chiÕm 9,4% träng l−îng nguyªn liÖu ban ®Çu. Hydro ®−îc dïng ®Ó tæng hîp amoniac, etylen ®−îc dïng ®Ó s¶n xuÊt polyetylen, oxit etylen vµ etylbenzen. Trªn h×nh XIV.7 biÓu diÔn hiÖu suÊt axetylen, etylen vµ n¨ng l−îng yªu cÇu cho çc hydrocacbon trong qu¸ tr×nh kh«ng “t«i” trong nh÷ng ®iÒu kiÖn x¸c ®Þnh. Metan cã n¨ng l−îng yªu cÇu riªng (SER) cao nhÊt vµ cho hiÖu suÊt axetylen cao nhÊt, hiÖu suÊt etylen thÊp nhÊt. §èi víi çc hydrocacbon cã m¹ch cacbon cµng lín, n¨ng l−îng yªu cÇu riªng vµ hiÖu suÊt axetylen gi¶m xuèng t−¬ng øng víi sù gi¶m nhiÖt cÊp vµo ®Ó t¹o ra axetylen tõ çc hydrocacbon kh¸c nhau. 246 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 40 30 20 10 20 C2H2 15 C2H4 10 SER 5 HiÖu suÊt etylen, % TL SER kWh/kg C 2 H 2 HiÖu suÊt axetylen, % TL 50 0 0 CH 4 C2H6 C3H8 C 4 H 10 H×nh XIV.7. HiÖu suÊt axetylen, etylen trong qu¸ tr×nh kh«ng “t«i” NhiÖt ph©n cã qu¸ tr×nh “t«i” thùc chÊt lµ mét qu¸ tr×nh nhiÖt ph©n cã ®iÒu khiÓn. Lo¹i vµ l−îng hydrocacbon sö dông ®Ó “t«i” s¬ bé cã thÓ rÊt ®a d¹ng. H×nh XIV.8 m« t¶ ®Æc tr−ng hiÖu suÊt s¶n phÈm víi tèc ®é “t«i” kh¸c nhau trong tr−êng hîp metan lµ nguyªn liÖu vµ propan lµ chÊt ®Ó “t«i”. HiÖu suÊt axetylen vµ hydro kh«ng chÞu ¶nh h−ëng cña tèc ®é “t«i”, trong khi ®ã etylen cã ®iÓm cùc ®¹i sau ®ã gi¶m xuèng khi thêi gian “t«i” qu¸ ng¾n. §èi víi propan hiÖu suÊt cã t¨ng vµ tû lÖ C3 : C 2 nhá h¬n 0,25. HiÖu suÊt s¶n phÈm , kg MW -1 h -1 Çc hydrocacbon cßn l¹i víi tû lÖ nh− sau: etan 100, propan 75, n-butan 72, izo-butan 24, 1-buten 53. 100 C2H2 75 CH 4 50 C2H4 H2 25 0 25 50 75 C3H6 100 125 150 -1 -1 Tèc ®é t−íi propan, kg MW h H×nh XIV.8. §å thÞ hiÖu suÊt s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh cã “t«i” s¬ bé http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 247 V× nhiÖt ®é cña khÝ sau khi “t«i” s¬ bé trªn 1200 0 C nªn ng−êi ta dïng mét hÖ thèng “t«i” b»ng dÇu ®Ó thu håi kho¶ng 80% nhiÖt b»ng çch trao ®æi nhiÖt d¹ng h¬i. Hçn hîp dÇu - muéi cacbon t¹o thµnh cã thÓ biÕn ®æi tiÕp thµnh sunfua vµ cèc dÇu má cao cÊp kh«ng tro. S¬ ®å trªn h×nh XIV.9 biÓu diÔn qu¸ tr×nh nhiÖt ®iÖn cã sö dông hÖ thèng “t«i” b»ng dÇu cña Hü ls. XIV.2.2.2. Qu¸ tr×nh oxy hãa kh«ng hoµn toµn Trong qu¸ tr×nh nµy mét phÇn nguyªn liÖu ®−îc ®èt ch¸y ®Õn nhiÖt ®é ph¶n øng vµ cÊp nhiÖt cho ph¶n øng. Çc nguyªn liÖu cã chøa cacbon nh− metan, etan, LNG, LPG, naphta, gazoil, ngay c¶ than hoÆc cèc cã thÓ sö dông ®Ó s¶n xuÊt axetylen b»ng nhãm çc ph−¬ng ph¸p nhiÖt ph©n nµy. Trong qu¸ tr×nh oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn, nguyªn liÖu ®−îc trén víi oxy, sau khi gia nhiÖt s¬ bé ®−îc ®−a vµo lß ph¶n øng. Hçn hîp sau ph¶n øng ®−îc lµm nguéi nhanh (qu¸ tr×nh “t«i”) b»ng n−íc hoÆc dÇu. “t«i” b»ng n−íc ®¬n gi¶n dÔ thùc hiÖn, “t«i” b»ng dÇu hiÖu qu¶ h¬n. Ng−êi ta cã thÓ sö dông çc hydrocacbon láng ®Ó lµm nguéi, nhê ®ã cã thÓ t¨ng l−îng etylen vµ axetylen ®−îc t¹o thµnh trong kho¶ng nhiÖt ®é 1500 ... 800 0 C. Qu¸ tr×nh nµy ®−îc gäi lµ qu¸ tr×nh hai b−íc. CÊu tróc lß ®èt rÊt quan träng, cÇn ®¶m b¶o çc yªu cÇu c«ng nghÖ. Thêi gian l−u trong vïng ph¶n øng ph¶i rÊt ng¾n. Hçn hîp ph¶n øng ph¶i ®−îc ph©n bè ®ång ®Òu. Tèc ®é dßng khÝ ph¶i cè ®Þnh trong qu¸ tr×nh ph¶n øng ®Ó ®¹t hiÖu suÊt ph¶n øng cao, tr¸nh hiÖn t−îng ch¸y kÝch næ vµ t¹o cèc. C«ng nghÖ cña BASF s¶n xuÊt axetylen tõ khÝ tù nhiªn ® ®−îc thùc hiÖn tõ n¨m 1950. Cho ®Õn n¨m 1983 tæng s¶n l−îng axetylen trªn toµn thÕ giíi ®−îc s¶n xuÊt theo c«ng nghÖ nµy vµo kho¶ng 400.000 tÊn/n¨m. HÇu hÕt ®Òu sö dông ph−¬ng ph¸p “t«i” b»ng n−íc, chØ cã mét nhµ m¸y ë §øc sö dông ph−¬ng ph¸p “t«i” b»ng dÇu. Hçn hîp oxy vµ hydrocacbon ®−îc trén tr−íc theo tû lÖ x¸c ®Þnh. Ban ®Çu lµ qu¸ tr×nh ch¸y mét phÇn nguyªn liÖu vµ ngay sau ®ã lµ qu¸ tr×nh oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn hydrocacbon. Trong ph−¬ng ph¸p nµy ®é chuyÓn ho¸ hydrocacbon kh«ng phô thuéc vµo tèc ®é khÝ ®−a vµo mµ chØ cÇn khèng chÕ thêi gian l−u trong tÇng ph¶n øng nhá h¬n nhiÒu so víi thêi gian ph©n huû trung b×nh cña axetylen. Gia nhiÖt s¬ bé nguyªn liÖu ph¶n øng ®Õn nhiÖt ®é cao nhÊt cã thÓ ®¹t ®−îc tr−íc khi ®−a vµo lß ph¶n øng sÏ gi¶m ®−îc tiªu hao oxy vµ hydrocacbon nguyªn liÖu. §ång thêi còng t¹o ra tèc ®é lan truyÒn ngän löa cao h¬n vµ l−u l−îng dßng lín h¬n trong lß ph¶n øng. 248 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn KhÝ tuÇn hoµn Axetylen s¹ch 2 H¬i n−íc ë ¸p suÊt cao (20 bar) DÇu röa khÝ H¬i n−íc ë ¸p suÊt thÊp KhÝ nguyªn liÖu 4 1 5 3 DÇu chøa muéi cacbon 6 Naphta ®· nhiÖt ph©n DÇu cÆn DÇu ®un nãng dung m«i http://www.ebook.edu.vn H×nh XIV.9. Qu¸ tr×nh nhiÖt ®iÖn víi hÖ thèng sö dông dÇu t«i 1. Thu håi nhiÖt; 2. Lß hå quang; 3. Thu håi dÇu; 4. ThiÕt bÞ ph©n chia çc hçn hîp cã ®iÓm s«i cao; 5. ThiÕt bÞ ph©n chia çc hçn hîp cã ®iÓm s«i thÊp; 6. ThiÕt bÞ t¸i sinh dÇu. 249 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Oxy Hydrocacbon Buång trén Bª t«ng lãt Buång khuÕch t¸n Lß ®èt Buång ph¶n øng N−íc hoÆc dÇu lµm nguéi vµo Vßng èng Buång lµm nguéi C¹o cÆn ®Þnh kú KhÝ s¶n phÈm Th¸o n−íc hoÆc dÇu lµm nguéi H×nh XIV.10. Lß ph¶n øng oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn cña BASF Trong d©y chuyÒn c«ng nghÖ, nhá nhÊt nh−ng quan träng nhÊt lµ lß ph¶n øng. CÊu t¹o cña nã gÇn gièng nhau cho hai qu¸ tr×nh lµm nguéi nhanh b»ng n−íc vµ b»ng dÇu. Trªn h×nh XIV.10 m« t¶ lß ph¶n øng cña BASF. T¹i ®Ønh thiÕt bÞ, t¸c nh©n ph¶n øng ® ®−îc gia nhiÖt s¬ bé (®èi víi metan kho¶ng 600 0 C) ®−îc trén hçn hîp thËt nhanh víi oxy t¹i buång trén. Khi hçn hîp ph¶n øng ®−îc ®−a vµo buång ph¶n øng, sù b¾t löa x¶y ra trong kho¶ng thêi gian vµi mili gi©y tuú thuéc vµo nguyªn liÖu hydrocacbon vµ qu¸ tr×nh gia nhiÖt s¬ bé. Çc hydrocacbon cao h¬n sÏ ®−îc gia nhiÖt s¬ bé ë nhiÖt ®é thÊp h¬n so víi metan. §Ó tr¸nh sù thæi ng−îc l¹i cña hçn hîp khÝ 250 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn gi÷a buång trén vµ tÇng ph¶n øng, ng−êi ta sö dông thiÕt bÞ khuÕch t¸n lµ mét èng nèi tõ buång trén tíi lß ®èt. V× thµnh èng nh½n vµ lu«n lu«n cã dßng khÝ ®Òu ®Æn ®i qua çc lç nhá cña lß ®èt nªn thùc tÕ kh«ng x¶y ra sù chuyÓn ®éng ng−îc l¹i cña hçn hîp khÝ. Lß ®èt gåm nh÷ng tÊm thÐp ®−îc lµm nguéi b»ng n−íc vµ cã rÊt nhiÒu khe nhá ®Ó hçn hîp khÝ ®i qua. Tèc ®é dßng khÝ lu«n lu«n lín h¬n tèc ®é lan truyÒn ngän löa v× vËy ngän löa bªn d−íi lß ®èt kh«ng thÓ ®èt ng−îc trë l¹i thiÕt bÞ khuÕch t¸n. PhÝa d−íi lß ®èt cã ®−êng èng bæ sung thªm oxy cho hçn hîp ph¶n øng. Trong ®iÒu kiÖn kh«ng thuËn lîi ngän löa cã thÓ xuÊt hiÖn phÝa trªn lß ®èt. Trong tr−êng hîp nµy ph¶i ng¾t ngay dßng oxy vµ thæi nit¬ vµo. Nit¬ dËp t¾t sù ch¸y kÝch næ tr−íc khi g©y ra sù cè cho thiÕt bÞ. Hçn hîp khÝ cã nhiÖt ®é cao ë trong vïng ph¶n øng trong kho¶ng thêi gian vµi mili gi©y, sau ®ã sÏ ®i qua vïng “t«i”, t¹i ®ã cã phun n−íc hoÆc dÇu lµm m¸t tøc thêi ®Õn nhiÖt ®é 80 0 C (®èi víi n−íc) hoÆc 200 ... 250 0 C (®èi víi dÇu). T¸c nh©n dïng ®Ó “t«i” hçn hîp sau ph¶n øng ®−îc dÉn vµo tõ hÖ thèng gåm ba èng vßng ®Æt ngay phÝa d−íi tÇng ph¶n øng. H×nh XIV.11 vµ XIV.12 m« t¶ çc s¬ ®å c«ng nghÖ s¶n xuÊt axetylen b»ng ph−¬ng ph¸p nhiÖt ph©n oxy ho¸ kh«ng hoµn toµn sö dông qu¸ tr×nh “t«i” b»ng n−íc vµ “t«i” b»ng dÇu. KhÝ sau ph¶n øng ®Õn m¸y nÐn (30 0 C) Muéi cacbon sang lß ®èt 4 2 6 db 90 0 C 3 1 5 Muéi sang lß ®èt 1 N−íc chøa muéi H×nh XIV.11. S¬ ®å c«ng nghÖ s¶n xuÊt axetylen víi qu¸ tr×nh “t«i” b»ng n−íc 1. ThiÕt bÞ gia nhiÖt; 2. ThiÕt bÞ ph¶n øng; 3. Th¸p lµm l¹nh; 4. ThiÕt bÞ läc ®iÖn; 5. ThiÕt bÞ thu håi muéi; 6. ThiÕt bÞ lµm l¹nh. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 251 Trong c«ng nghÖ cã “t«i” b»ng n−íc, nguyªn liÖu khÝ oxy vµ metan ®−îc ®−a qua thiÕt bÞ gia nhiÖt 1 ®¹t nhiÖt ®é cÇn thiÕt kho¶ng 600 ... 7000 C, sau ®ã ®−a vµo thiÕt bÞ ph¶n øng 2, t¹i ®©y x¶y ra qu¸ tr×nh oxy ho¸ t¹o axetylen. Hçn hîp sau ph¶n øng ®−îc lµm l¹nh nhanh b»ng n−íc ®Õn nhiÖt ®é 80 ... 90 0 C, sau ®ã hçn hîp ®−îc ®−a qua th¸p lµm l¹nh 3 ®Ó tiÕp tôc lµm l¹nh, t¸ch muéi cacbon vµ bôi c¬ häc. ThiÕt bÞ läc ®iÖn 4 l¾p sau ®ã cho phÐp t¸ch triÖt ®Ó h¬n muéi cacbon vµ bôi c¬ häc. KhÝ s¹ch nhËn ®−îc tõ ®Ønh cét lµm l¹nh cã nhiÖt ®é 30 0 C ®−îc ®−a qua m¸y nÐn sang bé phËn tinh chÕ thu s¶n phÈm axetylen. Muéi cacbon ®−îc thu håi nhê bé phËn l¾ng g¹n 5 vµ ®−îc ®−a sang lß ®èt. ThiÕt bÞ lµm l¹nh 6 cã t¸c dông lµm l¹nh n−íc vµ b¬m vËn chuyÓn tuÇn hoµn l−îng n−íc ®−a vµo “t«i” hçn hîp sau ph¶n øng. ¦u ®iÓm cña c«ng nghÖ theo s¬ ®å nµy lµ cã thÓ thu ®−îc axetylen víi hiÖu suÊt cao vµ ®−îc lµm s¹ch triÖt ®Ó muéi cacbon. Tuy nhiªn cÇn ph¶i b¬m mét l−îng lín n−íc ®Ó “t«i” s¶n phÈm ph¶n øng, kh«ng tËn dông ®−îc nhiÖt cña ph¶n øng. Trong s¬ ®å trªn h×nh XIV.12, ng−êi ta ® kh¾c phôc nh−îc ®iÓm cña s¬ ®å trªn b»ng çch tËn dông nhiÖt cña ph¶n øng ®Ó nhiÖt ph©n cÆn dÇu. T−¬ng tù nh− s¬ ®å trªn, ban ®Çu khÝ nguyªn liÖu ®−îc gia nhiÖt ®Õn nhiÖt ®é 600 ... 700 0 C trong thiÕt bÞ gia nhiÖt 1, sau ®ã ®−îc dÉn vµo thiÕt bÞ ph¶n øng 2, hçn hîp sau ph¶n øng ®−îc “t«i” b»ng çch phun cÆn dÇu ®Õn nhiÖt ®é 200 ... 250 0 C, l−îng dÇu ch−a ch¸y hÕt ®−îc l¾ng ë ®¸y th¸p vµ ®−îc b¬m trë l¹i nhê hÖ thèng b¬m mµng. Hçn hîp khÝ sau ph¶n øng cïng víi çc s¶n phÈm ph©n huû cña dÇu lµ çc hydrocacbon th¬m (benzen toluen xylen − BTX) ®−îc ®−a qua trao ®æi nhiÖt lµm s¹ch khái muéi cacbon t¹i th¸p trao ®æi nhiÖt 3. Th¸p trao ®æi nhiÖt cã ba phÇn, ë phÇn d−íi cïng hçn hîp khÝ trao ®æi nhiÖt víi dÇu, ë phÇn gi÷a trao ®æi nhiÖt tiÕp tôc vµ cã t¸ch çc hîp chÊt vßng ng−ng tô, ë phÇn trªn cïng trao ®æi nhiÖt víi hydrocacbon th¬m nhÑ (BTX). S¶n phÈm khÝ ®i ra tõ trªn ®Ønh th¸p lµ hçn hîp cña axetylen, cacbonic, BTX... cã nhiÖt ®é 800 C ®−îc ®−a sang thiÕt bÞ lµm l¹nh cuèi 7 ®Ó t¸ch BTX. KhÝ s¶n phÈm nhËn ®−îc tõ ®Ønh th¸p cã nhiÖt ®é 30 0 C ®−a sang m¸y nÐn 4. PhÇn chøa BTX thu ®−îc ë ®¸y th¸p ®−îc ®−a sang thiÕt bÞ l¾ng g¹n 6 thu BTX, cÆn nÆng h¬n ®−îc ®−a sang thiÕt bÞ cèc ho¸ 5 lµm viÖc ë nhiÖt ®é kho¶ng 500 0 C. ¦u ®iÓm cña s¬ ®å c«ng nghÖ nµy lµ tËn dông nhiÖt cña ph¶n øng ®Ó ph©n huû cÆn dÇu, s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh ph©n huû cÆn dÇu chñ yÕu lµ BTX. Nh−îc ®iÓm cña s¬ ®å nµy lµ axetylen nhËn ®−îc cã ®é tinh khiÕt kh«ng cao so víi ph−¬ng ph¸p “t«i” b»ng n−íc, hiÖu suÊt s¶n phÈm kh«ng cao v× lµm l¹nh kh«ng triÖt ®Ó. C«ng nghÖ nhiÖt ph©n metan ®Ó s¶n xuÊt axetylen cã hiÖu qu¶ vµ kinh tÕ h¬n ph−¬ng ph¸p nhiÖt ®iÖn nªn ®−îc sö dông réng r i h¬n trong c«ng nghiÖp. 252 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 3 KhÝ sau ph¶n øng vµ BTX KhÝ sau ph¶n øng ®Õn m¸y nÐn (30 0 C) BTX Vßng th¬m ng−ng tô cao 0 100 C 7 110 0 C 180 - 220 C 1 1 O2 150 0 C 2 5 6 CH 4 DÇu cÆn Trao ®æi nhiÖt kh«ng khÝ 140 0 C 0 Qu¸ tr×nh ph©n ly khÝ 4 200 - 260 0 C 500 0 C Hydrocacbon th¬m nhÑ (BTX) http://www.ebook.edu.vn Muéi cacbon H×nh XIV.12. S¬ ®å c«ng nghÖ s¶n xuÊt axetylen víi qu¸ tr×nh “t«i” b»ng dÇu 1. ThiÕt bÞ ®un nãng; 2. ThiÕt bÞ ph¶n øng; 3. Th¸p trao ®æi nhiÖt; 4. B¬m nÐn; 5. ThiÕt bÞ cèc ho¸; 6. L¾ng g¹n; 7. ThiÕt bÞ lµm l¹nh cuèi. 253 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn XIV.2.3. Çc ph−¬ng ph¸p t¸ch axetylen Khi s¶n xuÊt axetylen tõ nguyªn liÖu lµ çc hydrocacbon b»ng çc c«ng nghÖ nãi trªn, hçn hîp khÝ s¶n phÈm cã chøa trªn 30 hîp chÊt, trong ®ã cã H 2 , CO, CO2 , CH 4 , çc olefin (etylen, propylen, ...), çc ®ång ®¼ng cña axetylen, çc hîp chÊt th¬m (BTX). Nång ®é axetylen trong khÝ s¶n phÈm cã tõ 7 ®Õn 10% mol. §Ó t¸ch axetylen tõ hçn hîp khÝ s¶n phÈm, ng−êi ta sö dông nhiÒu ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau: HÊp thô b»ng dung m«i chän läc (dimetyl formamid, N-metyl pyrolydon), b»ng çc dung m«i ë nhiÖt ®é thÊp (metanol, amoniac, keroxen, axeton, ...), hÊp thô b»ng than ho¹t tÝnh, ... H¬n 70% sè d©y chuyÒn s¶n xuÊt c«ng nghiÖp sö dông dung m«i chän läc. S¬ ®å nguyªn lý t¸ch axetylen tõ khÝ nhiÖt ph©n b»ng dung m«i N-metyl pyrolidon (NMP) xem trªn h×nh XIV.13. Hçn hîp khÝ sau khi nhiÖt ph©n ®−a sang c«ng ®o¹n hÊp thô b»ng NMP ®−îc t¸ch thµnh ba dßng: 1. S¶n phÈm axetylen th−¬ng phÈm, hµm l−îng axetylen cã thÓ trªn 99% mol. 2. KhÝ tæng hîp th« chñ yÕu chøa CO vµ H2 . 3. Çc ®ång ®¼ng cao h¬n cña axetylen (metyl axetylen, vinyl axetylen, diaxetylen, ...) vµ çc hîp chÊt th¬m. Dßng khÝ nµy sÏ ®−îc pha lo ng b»ng mét phÇn dßng khÝ tæng hîp v× lý do an toµn vµ ®−îc sö dông lµm nhiªn liÖu. KhÝ nhiÖt ph©n sau khi nÐn tíi 10 atm ®−îc ®−a vµo th¸p hÊp thô s¬ bé, t¹i ®©y dßng khÝ tiÕp xóc víi mét l−îng nhá chÊt hÊp thô ®Ó t¸ch hÇu hÕt çc hîp chÊt th¬m, C 4 vµ çc ®ång ®¼ng cña axetylen trõ vinyl axetylen. Trong th¸p hÊp thô chÝnh 4, hçn hîp khÝ ®−îc tiÕp xóc víi l−îng lín dung m«i N-metyl pyrolidon (NMP), dung m«i hÊp thô toµn bé axetylen, çc ®ång ®¼ng, CO 2 , cßn trªn ®Ønh th¸p sÏ nhËn ®−îc khÝ tæng hîp th« chøa chñ yÕu H 2 vµ CO. Dung dÞch NMP sau khi hÊp thô tõ çc th¸p hÊp thô ®−îc t¸ch khÝ qua nhiÒu b−íc, ¸p suÊt gi¶m vµ nhiÖt ®é t¨ng qua tõng b−íc. Th¸p nh¶ hÊp thô 5 lµm viÖc ë ®iÒu kiÖn ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é cao h¬n m«i tr−êng mét chót. Trong th¸p nµy, dung dÞch t−íi tõ trªn xuèng tiÕp xóc víi dßng khÝ ®i tõ ®Ønh th¸p nh¶ hÊp thô 6 ®−îc thæi ng−îc chiÒu tõ d−íi lªn. KhÝ tõ ®Ønh th¸p 5 chøa CO 2 ®−îc tuÇn hoµn trë l¹i trén víi khÝ nhiÖt ph©n. Axetylen thµnh phÈm nhËn ®−îc tõ gi÷a th¸p 5 cã nång ®é 98,4% mol. Dung dÞch NMP sau ®ã ®−îc t¸ch khÝ qua hai b−íc tiÕp theo trong th¸p 6 ë nhiÖt ®é 110 ®Õn 1200 C: ban ®Çu ë ¸p suÊt khÝ quyÓn (ë phÇn trªn cña th¸p), b−íc thø hai ë ¸p suÊt 254 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn VI VII V 10 VIII IX 10 IV X 4 11 I 1 2 6 5 7 8 9 3 H¬i n−íc II III 11 N−íc XII XI http://www.ebook.edu.vn H×nh XIV.13. S¬ ®å c«ng ®o¹n t¸ch axetylen cña h·ng BASF, c«ng ®o¹n hÊp thô b»ng N-metyl pyrolidon (NMP) 1. M¸y nÐn; 2. Th¸p hÊp thô s¬ bé; 3. Th¸p nh¶ hÊp thô axetylen; 4. Th¸p hÊp thô chÝnh; 5. Th¸p nh¶ hÊp thô; 6. Th¸p ch©n kh«ng; 7. Th¸p t¸ch ch©n kh«ng; 8. Th¸p röa; 9. Th¸p ng−ng tô; 10. B¬m ch©n kh«ng; 11. ThiÕt bÞ lµm l¹nh b»ng n−íc. 255 I. KhÝ nhiÖt ph©n; II. NMP; III. KhÝ tæng hîp; IV. KhÝ tuÇn hoµn; V. KhÝ pha lo·ng; VI. KhÝ tæng hîp; VII. Axetylen; VIII. §ång ®¼ng cña axetylen ®−a sang lß ®èt; IX. N−íc s«i; X. Tõ th¸p lµm l¹nh b»ng kh«ng khÝ hoÆc n−íc; XI. §Õn thïng chøa; XII. §i t¸i sinh. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn thÊp h¬n ¸p suÊt khÝ quyÓn (kho¶ng 0,2 atm) ë phÇn d−íi cña th¸p. Vinyl axetylen, metyl axetylen vµ n−íc d− ®−îc lÊy ra tõ gi÷a th¸p ®−a sang th¸p t¸ch ch©n kh«ng 7. Hµm l−îng n−íc trong dung m«i ®−îc khèng chÕ b»ng tèc ®é s«i trong th¸p. Tõ ®¸y th¸p ch©n kh«ng 6, viÖc t¸ch khÝ ® hoµn thµnh, vµ dung m«i ®−îc lµm l¹nh vµ tuÇn hoµn vÒ th¸p hÊp thô chÝnh 4. Mét l−îng nhá dung m«i tõ th¸p hÊp thô s¬ bé 2 ®−îc nh¶ hÊp thô cïng víi khÝ tæng hîp th« ®Ó thu håi axetylen hoµ tan t¹i th¸p 3. KhÝ tõ ®Ønh th¸p 3 tuÇn hoµn vÒ m¸y nÐn 1, cßn dung m«i sau ®ã ®−îc t¸ch khÝ trong th¸p t¸ch ch©n kh«ng 7. KhÝ tõ ®Ønh th¸p t¸ch 7 chøa çc axetylen cao, n−íc vµ mét Ýt h¬i NMP. Trong th¸p 8, NMP ®−îc thu håi b»ng n−íc t−íi tõ ®Ønh th¸p, sÏ ®−îc trén vµo dßng dung m«i tõ ®¸y th¸p 5. KhÝ ®−îc lµm l¹nh b»ng tiÕp xóc trùc tiÕp trong th¸p ng−ng tô 9 víi n−íc tõ chu tr×nh l¹nh, sÏ ®−îc ng−ng tô hÇu hÕt h¬i n−íc. Çc axetylen cao ®−îc ®−a sang lµm nhiªn liÖu cho lß ®èt. S¶n phÈm axetylen th« cã hµm l−îng 98,4%, trong ®ã chñ yÕu cßn propadien, metyl axetylen vµ nit¬. §Ó cã ®é tinh khiÕt cao h¬n, tíi 99,7%, cÇn ph¶i röa b»ng axit sunfuric vµ dung dÞch natri hydroxit. 256 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Phô lôc http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 257 Phô lôc 1. H»ng sè c©n b»ng pha K H»ng sè c©n b»ng pha K cña CO2, H2S, N2 vµ çc hydrocacbon no (parafin) tõ metan ®Õn decan (theo J. Campbell). Sè liÖu ®−îc sö dông trong çc vÝ dô, vµ còng cã thÓ ®−îc sö dông ®Ó so s¸nh víi çc bµi tËp lËp tr×nh tÝnh to¸n b»ng m¸y vi tÝnh. cacbon dioxit cacbon dioxit NhiÖt ®é, 0 F 0 NhiÖt ®é, C K K http://www.ebook.edu.vn 259 ¸p suÊt, MPa Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ¸p suÊt, psi 260 Hydrosunfua Hydrosunfua NhiÖt ®é, 0 F 0 NhiÖt ®é, C K K http://www.ebook.edu.vn ¸p suÊt, MPa Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ¸p suÊt, psi Nit¬ Nit¬ K K NhiÖt ®é, 0 C NhiÖt ®é, 0 F http://www.ebook.edu.vn 261 ¸p suÊt, MPa Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ¸p suÊt, psi 262 Metan Metan NhiÖt ®é, 0 C K NhiÖt ®é, 0 F K http://www.ebook.edu.vn ¸p suÊt, MPa Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ¸p suÊt, psi Etan Etan NhiÖt ®é, 0 F NhiÖt ®é, 0 C K K http://www.ebook.edu.vn 263 ¸p suÊt, MPa Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ¸p suÊt, psi 264 Propan Propan NhiÖt ®é, 0 F 0 NhiÖt ®é, C K K http://www.ebook.edu.vn ¸p suÊt, MPa Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ¸p suÊt, psi izo-butan izo-butan NhiÖt ®é, 0 C NhiÖt ®é, 0 F K K http://www.ebook.edu.vn 265 ¸p suÊt, MPa Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ¸p suÊt, psi 266 n-Butan n-Butan NhiÖt ®é, 0 F NhiÖt ®é, 0 C K K http://www.ebook.edu.vn ¸p suÊt, MPa Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ¸p suÊt, psi izo-Pentan izo-Pentan NhiÖt ®é, 0 C NhiÖt ®é, 0 F K K ¸p suÊt, MPa ¸p suÊt, psi http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 267 n-Pentan n-Pentan NhiÖt ®é, 0 C K NhiÖt ®é, 0 F K ¸p suÊt, MPa 268 ¸p suÊt, psi http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn n-hexan n-hexan NhiÖt ®é, 0 C NhiÖt ®é, 0 F K K ¸p suÊt, MPa http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ¸p suÊt, psi 269 n-heptan n-heptan NhiÖt ®é, 0 C K NhiÖt ®é, 0 F K ¸p suÊt, MPa 270 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ¸p suÊt, psi n-octan n-octan NhiÖt ®é, 0 F NhiÖt ®é, 0 C K K ¸p suÊt, MPa http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ¸p suÊt, psi 271 n-Nonan n-Nonan NhiÖt ®é, 0 C K NhiÖt ®é, 0 F K ¸p suÊt, MPa 272 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn ¸p suÊt, psi n-Decan n-Decan NhiÖt ®é, 0 F NhiÖt ®é, 0 C K K ¸p suÊt, MPa ¸p suÊt, psi http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 273 274 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn §o t¶i träng 1 DÇu th¶i ¸p lùc ®Èy Trèng c©n b»ng §o t¶i träng 2 Vßng ®Öm DÇu vµo MÆt c¾t ngang tæ hîp m¸y nÐn − tu«cbin gi n në khÝ Tu«cBin gi n në khÝ KhÝ b¶o vÖ §iÒu khiÓn ¸p lùc ®Èy ¸p kÕ trèng c©n b»ng M¸y nÐn khÝ Phô lôc 2. Çc hÖ ®¬n vÞ ®o vμ quan hÖ gi÷a chóng §¬n vÞ ®o nhiÖt ®é Trong hÖ ®¬n vÞ quèc tÕ (SI), dïng thang Kelvin K vµ thang Celsius o C. Trong hÖ Anh Mü dïng thang Rankin (o R) vµ thang Farenheit (o F). Çc thang K vµ o C ®Òu lµ thang b¸ch ph©n, trong ®ã kho¶ng nhiÖt ®é chÝnh (gi÷a nhiÖt ®é nãng ch¶y cña n−íc ®¸ vµ nhiÖt ®é s«i cña n−íc) lµ 100 ®é. o (1) NhiÖt ®é s«i cña n−íc NhiÖt ®é nãng ch¶y cña n−íc ®¸ Kh«ng ®é trong thang Farenheit Kh«ng ®é tuyÖt ®èi (1) C 100 0 −17,8 −273,15 o o R 80 0 −14,2 −218,56 F K 212 32 0 −459,76 373,15 273,15 255,4 0 C«ng thøc tÝnh ®æi nhiÖt ®é gi÷a çc thang nh− sau: §æi o C thµnh o F vµ K: 9 n o C = ⎛⎜ n + 32 ⎞⎟ o F = (n + 273,15) K ⎝4 ⎠ §æi o R thµnh o C: noR = 5 (n − 491,76)oC 9 §æi o F thµnh o C , o R vµ K: 5 5 n o F = (n − 32) o C = (n + 459,76)oR = ⎡⎢ (n − 32) + 273,15⎤⎥ K 9 ⎣9 ⎦ o o §æi K thµnh C vµ F: ⎡9 ⎤ n K = (n − 273,15) o C = ⎢ (n − 273,15 ) + 32 ⎥ o F ⎣5 ⎦ Ghi chó: n - cïng mét sè ë vÕ tr¸i vµ vÕ ph¶i cña mçi ®¼ng thøc. (1) ë ¸p suÊt th−êng (760 mmHg). http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 275 276 B¶ng chuyÓn ®æi nhiÖt ®é gi÷a hÖ ®¬n vÞ SI vµ hÖ ®¬n vÞ Anh Mü o C 1 o ChoÆc oF 2 o F 3 o C o ChoÆc oF o F o C o ChoÆc oF F o 9 10 C 4 5 6 7 -273,16 -459,69 -19,44 -3 26,6 28,9 84 183,2 432,2 -267,78 -450 -18,89 -2 28,4 29,4 85 185,0 -262,22 -440 -18,33 -1 30,2 30,0 86 186,8 -256,67 -430 -17,8 0 32,0 30,6 87 -251,11 -420 -17,2 1 33,8 31,1 88 -245,56 -410 -16,7 2 35,6 31,7 -240,00 -400 -16,1 3 37,4 -234,44 -390 -15,6 4 39,2 -228,89 -380 -15,0 5 -223,33 -370 -14,4 -217,78 -360 -13,9 -212,22 -350 -206,67 -340 -201,11 -330 -195,58 -320 -190,00 -310 -184,44 -300 -10,6 13 55,4 -178,89 -290 -10,0 14 57,2 -173,33 -280 -9,44 15 -169,53 -273,16 -459,7 -8,89 -168,89 -272 -8,33 o ChoÆc oF F o C o ChoÆc oF o F 13 14 15 810 1.490,0 915,6 1.680 3.056,0 437,8 820 1.508,0 921,1 1,690 3.074,0 443,3 830 1.526,0 926,7 1.700 3.092,0 188,6 448,9 840 1.544,0 932,2 1.710 3.110,0 190,4 454,4 850 1.562,0 937,8 1.720 3.128,0 89 192,2 460,0 860 1.580,0 943,3 1.730 3.146,0 32,2 90 194,0 465,6 870 1.598,0 948,9 1.740 3.164,0 32,8 91 195,8 471,1 880 1.616,0 954,4 1.750 3.182,0 41,0 33,3 92 197,6 476,7 890 1.634,0 960,0 1.760 3.200,0 6 42,8 33,9 93 199,4 482,2 900 1.652,0 965,6 1.770 3.218,0 7 44,6 34,4 94 201,2 487,8 910 1.670,0 971,1 1.780 3.236,0 -13,3 8 46,4 35,0 95 203,0 493,3 920 1.688,0 976,7 1.790 3.254,0 -12,8 9 48,2 35,6 96 204,8 498,9 930 1.706,0 982,2 1.800 3.272,0 -12,2 10 50,0 36,1 97 206,6 504,4 940 1.724,0 987,8 1.810 3.290,0 -11,7 11 51,8 36,7 98 208,4 510,0 950 1.742,0 993,3 1.820 3.308,0 http://www.ebook.edu.vn -11,1 12 53,6 37,2 99 210,2 515,6 960 1.760,0 998,9 1.830 3.326,0 37,8 100 212,0 521,1 970 1.778,0 1.004,4 1.840 3.344,0 43,3 110 230,0 526,7 980 1.796,0 1.010,0 1.850 3.362,0 59,0 48,9 120 248,0 532,2 990 1.814,0 1.015,6 1.860 3.380,0 16 60,8 54,4 130 266,0 537,8 1.000 1.832,0 1.021,1 1.870 3.398,0 17 62,6 60,0 140 284,0 543,3 1,010 1.850,0 1.026,7 1.880 3.416,0 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 11 o 12 -457,6 8 o B¶ng chuyÓn ®æi nhiÖt ®é gi÷a hÖ ®¬n vÞ SI vµ hÖ ®¬n vÞ Anh Mü (tiÕp theo) o C o ChoÆc oF o o F C o ChoÆc oF o o F C o ChoÆc oF o F o C o ChoÆc oF o F o C o ChoÆc oF o F 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 -167,78 -270 -454,0 -7,78 18 64,4 65,6 150 302,0 548,9 1.020 1.868,0 1.032,2 1.890 3.434,0 -162,22 -260 -436,0 -7,22 19 66,2 71,1 160 320,0 554,4 1.030 1.886,0 1.037,8 1.900 3.452,0 -156,67 -250 -418,0 -6,67 20 68,0 76,7 170 338,0 560,0 1.040 1.904,0 1.043,3 1.910 3.470,0 -151,11 -240 -400,0 -6,11 21 69,8 82,2 180 358,0 565,6 1.050 1.922,0 1.048,9 1.920 3.488,0 -145,56 -230 -382,0 -5,56 22 71,6 87,8 190 374,0 571,1 1,060 1.940,0 1.054,4 1.930 3.506,0 -140,00 -220 -364,0 -5,00 23 73,4 93,3 200 392,0 576,7 1.070 1.958,0 1.060,0 1.940 3.524,0 -134,44 -210 -346,0 -4,44 24 75,2 98,9 210 410,0 582,2 1.080 1.976,0 1.065,6 1.950 3.542,0 -128,89 -200 -328,0 -3,89 25 77,0 104,4 220 428,0 587,8 1.090 1.994,0 1.071,1 1.960 3.560,0 -123,33 -190 -310,0 -3,33 26 78,8 110,0 230 446,0 593,3 1.100 2.012,0 1.076,7 1.970 3.578,0 -117,78 -180 -292,0 -2,78 27 80,6 115,6 240 464,0 598,9 1.110 2.030,0 1.082,2 1.980 3,596,0 -112,22 -170 -274,0 -2,22 28 82,4 121,1 250 482,0 604,4 1.120 2.048,0 1.087,8 1.990 3.614,0 -106,67 -160 -256,0 -1,67 29 84,2 126,7 260 500,0 610,0 1.130 2.066,0 1.093,3 2.000 3.632,0 -101,11 -150 -238,0 -1,11 30 86,0 132,2 270 518,0 615,6 1.140 2.084,0 1.098,9 2.010 3.650,0 -95,56 -140 -220,0 -0,56 31 87,8 137,8 280 536,0 621,1 1.150 2.102,0 1.104,4 2.020 3.668,0 0 32 89,6 -90,00 -130 -202,0 143,3 290 554,0 626,7 1.160 2.120,0 1.110,0 2.030 3.686,0 -84,44 -120 -184,0http://www.ebook.edu.vn 0,56 33 91,4 148,9 300 572,0 632,2 1.170 2.138,0 1.115,6 2.040 3.704,0 -78,89 -110 -166,0 310 590,0 637,8 1.180 2.156,0 1.121,1 2.050 3.722,0 1,11 34 93,2 154,4 277 -73,33 -100 -148,0 1,67 35 95,0 160,0 320 608,0 643,3 1.190 2.174,0 1.126,7 2.060 3.740,0 -70,56 -95 -139,0 3,33 36 96,8 165,6 330 626,0 648,9 1.200 2.192,0 1.132,2 2.070 3.758,0 -67,78 -90 -130,0 2,78 37 98,6 171,1 340 644,0 654,4 1.210 2.210,0 1.137,8 2.080 3.776,0 -65,00 -85 -121,0 3,33 38 100,4 176,7 350 662,0 660,0 1.220 2.228,0 1.143,3 2.090 3.794,0 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 278 B¶ng chuyÓn ®æi nhiÖt ®é gi÷a hÖ ®¬n vÞ SI vµ hÖ ®¬n vÞ Anh Mü (tiÕp theo) o C 1 -62,22 -59,45 -58,67 -53,89 -51,11 -48,34 -45,56 -42,78 -40,00 -39,45 -38,89 -38,34 -37,78 -37,23 -36,67 -36,12 -35,56 -35,00 -34,44 -33,89 -33,33 -32,78 o ChoÆc oF 2 -80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -39 -38 -37 -36 -35 -34 -33 -32 -31 -30 -29 -28 -27 o F 3 o C 4 o ChoÆc oF 5 o F 6 o C 7 -112,0 3,89 39 102,2 182,2 -103,0 4,44 40 104,0 187,8 -94,0 5,00 41 105,8 193,3 -85,0 5,56 42 107,6 198,9 -76,0 6,11 43 109,4 204,4 -67,0 6,67 44 111,2 210,0 -58,0 7,22 45 113,0 215,6 -49,0 7,78 46 114,8 221,1 -40,0 8,33 47 116,6 226,7 -38,2 8,89 48 118,4 232,2 -36,4 9,44 49 120,2 237,8 -34,6 10,0 50 122,0 243,3 -32,8 10,6 51 123,8 248,9 -31,0 11,1 52 125,6 254,4 -29,2 11,7 53 127,4 260,0 -27,4 12,2 54 129,2 265,6 http://www.ebook.edu.vn -25,6 12,8 55 131,0 271,1 -23,8 13,3 56 132,8 276,7 -22,0 13,9 57 134,6 282,2 -20,2 14,4 58 136,4 287,8 -18,4 15,0 59 138,2 293,3 -16,6 15,6 60 140,0 298,9 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn o ChoÆc oF o F o 8 9 10 11 12 13 14 15 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 680,0 698,0 716,0 734,0 752,0 770,0 788,0 806,0 824,6 842,0 860,0 878,0 896,0 914,0 932,0 950,0 968,0 986,0 1.004,0 1.022,0 1.040,0 1.058,0 665,6 671,1 676,7 682,2 687,8 693,3 698,9 704,4 710,0 715,6 721,1 726,7 732,2 737,8 743,3 748,9 754,4 760,0 765,6 771,1 776,7 782,2 1,230 1.240 1.250 1.260 1.270 1.280 1.290 1.300 1.310 1.320 1.330 1.340 1.350 1.360 1.370 1.380 1.390 1.400 1.410 1.420 1.430 1.440 2.246,0 2.264,0 2.282,0 2.300,0 2.318,0 2.336,0 2.354,0 2.372,0 2.390,0 2.408,0 2.426,0 2.444,0 2.462,0 2.480,0 2.498,0 2.516,0 2.534,0 2.552,0 2.570,0 2.588,0 2.606,0 2.624,0 1.148,9 1.154,4 1.160,0 1.165,6 1.171,1 1.176,7 1.182,2 1.187,8 1.193,3 1.198,9 1.204,4 1.210,0 1.215,6 1.221,1 1.226,7 1.232,2 1.237,8 1.243,3 1.248,9 1.254,4 1.260,0 1.265,6 2.100 2.110 2.120 2.130 2.140 2.150 2.160 2.170 2.180 2.190 2.200 2.210 2.220 2.230 2.240 2.250 2.260 2.270 2.280 2.290 2.300 2.310 3.812,0 3.830,0 3.848,0 3.866,0 3.884,0 3.902,0 3.920,0 3.938,0 3.956,0 3.974,0 3.992,0 4.010,0 4.028,0 4.046,0 4.064,0 4.082,0 4.100,0 4.118,0 4.136,0 4.154,0 4.172,0 4.190,0 C o ChoÆc oF o F o C o ChoÆc oF o F B¶ng chuyÓn ®æi nhiÖt ®é gi÷a hÖ ®¬n vÞ SI vµ hÖ ®¬n vÞ Anh Mü (tiÕp theo) o C 1 279 -32,22 -31,67 -31,11 -30,56 -30,00 -29,45 -28,89 -28,34 -27,78 -27,23 -26,67 -26,12 -25,56 -25,00 -24,44 -23,89 -23,33 -22,78 -22,22 -21,67 -21,11 -20,56 -20,00 o ChoÆc oF 2 -26 -25 -24 -23 -22 -21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 o F 3 o C 4 o ChoÆc oF 5 o F 6 o C 7 -14,8 16,1 61 141,8 304,4 -13,0 16,7 62 143,6 310,0 -11,2 17,2 63 145,4 315,6 -9,4 17,8 64 147,2 321,1 -7,6 18,3 65 149,0 326,7 -5,8 18,9 66 150,8 332,2 -4,0 19,4 67 152,6 337,8 -2,2 20,0 68 154,4 343,3 -0,4 20,6 69 156,2 348,9 1,4 21,1 70 158,0 354,4 3,2 21,7 71 159,8 360,0 5,0 22,2 72 161,6 365,6 6,8 22,8 73 163,4 371,1 8,6 23,3 74 165,2 376,7 10,4 23,9 75 167,0 382,2 12,2 24,4 76 168,8 387,8 14,0 25,0 77 170,6 393,3 http://www.ebook.edu.vn 15,8 25,6 78 172,4 398,9 17,6 26,1 79 174,2 404,4 19,4 26,7 80 176,0 410,0 21,2 27,2 81 177,8 415,6 23,0 27,8 82 179,6 421,1 24,8 28,3 83 181,4 426,7 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn o ChoÆc oF o F o 8 9 10 11 12 13 14 15 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 760 770 780 790 800 1.076,0 1.094,0 1.112,0 1.130,0 1.148,0 1.166,0 1.184,0 1.202,0 1.220,0 1.238,0 1.256,0 1.274,0 1.292,0 1.310,0 1.328,0 1.346,0 1.384,0 1.382,0 1.400,0 1.418,0 1.436,0 1.454,0 1.472,0 787,8 793,3 798,9 804,4 810,0 815,6 821,1 826,7 832,2 837,8 843,3 848,9 854,4 860,0 865,6 871,1 876,7 882,2 887,6 893,3 898,9 904,4 910,0 1.450 1.460 1.470 1.480 1.490 1.500 1.510 1.520 1.530 1.540 1.560 1.560 1.570 1.580 1.590 1.600 1.610 1.620 1.630 1.640 1.650 1.660 1.670 2.642,0 2.660,0 2.678,0 2.696,0 2.714,0 2.732,0 2.750,0 2.768,0 2.786,0 2.804,0 2.822,0 2.840,0 2.858,0 2.876,0 2.894,0 2.912,0 2.930,0 2.948,0 2.966,0 2.984,0 3.002,0 3.020,0 3.038,0 1.271,1 1.276,7 1.282,2 1.287,8 1.293,3 1.298,9 1.304,4 1.310,0 1.343,3 1.371,1 1.398,9 1.426,7 1.454,4 1.482,2 1.510,0 1.537,8 1.565,1 1.593,3 1.621,1 1.648,9 2.320 2.330 2.340 2.350 2.360 2.370 2.380 2.390 2.450 2.500 2.550 2.600 2.650 2.700 2.750 2.800 2.850 2.900 2.950 3.000 4.208,0 4.226,0 4.244,0 4.262,0 4.280,0 4.298,0 4.316,0 4.334,0 4.442,0 4.532,0 4.622,0 4.712,0 4.802,0 4.892,0 4.982,0 5.072,0 5.162,0 5.252,0 5.342,0 5.432,0 C o ChoÆc oF o F o C o ChoÆc oF o F §¬n vÞ lùc vμ khèi l−îng §¬n vÞ lùc (P) truyÒn cho mét ®¬n vÞ khèi l−îng (m) mét gia tèc b»ng mét ®¬n vÞ ®é dµi (l) chia cho b×nh ph−¬ng cña ®¬n vÞ thêi gian (s): m⋅l P= 2 s Trong hÖ SI, ®¬n vÞ lùc c¬ së lµ Niut¬n (N), ®¬n vÞ khèi l−îng c¬ së lµ kil«gam (kg). Trong hÖ ®¬n vÞ Anh, ®¬n vÞ lùc c¬ së lµ pound lùc (lbf), ®¬n vÞ khèi l−îng c¬ së lµ pound khèi l−îng (lbm). Niut¬n (N) 1 kg.m/s 2 Dyn (dyn) 1 g.cm/s 2 1 10 5 0,101972 101,972 10 −5 1 1,01972.10 −6 1,01972.10 −3 980,665 1 1000 980,665 0,001 1 9,80665 0,980665.10 −2 Kil«gam lùc (kG) 1 kg.9,80665 m/s 2 Gam lùc (G) 1 g.9,80665 m/s 2 Ghi chó: 1 pound lùc (lbf) = 4,44822 N. §¬n vÞ c«ng §¬n vÞ c«ng sinh ra bëi mét ®¬n vÞ lùc khi chuyÓn dêi ®iÓm ®Æt cña nã mét ®¬n vÞ ®é dµi theo ph−¬ng cña lùc ®ã. Jun (J) (N.m) Kil«jun (kJ) Ec (ec) Kil«gam lùc mÐt (kG.m) Oat giê (Wh) Kil«oat giê (kWh) Calo (cal) 1 0,001 1,02.10 −1 1 10 −10 1 102.10 3 2,78.10 −4 2,78.10 −1 2,78.10 −11 2,72.10 −3 2,78.10 −7 2,78.10 −4 2,78.10 −14 2,72.10 −6 0,239 1000 10 7 10 10 239 2,39.10 −8 1 1000 0,001 860 1 860.10 3 1,162.10 −3 1,162.10 −6 1 10 −7 9,81 3,6.10 3 3,6.10 6 4,186 280 9,81.10 −3 3,6 3,6.10 3 102 9,81. 10 7 3,6.10 10 3,6.10 13 4,186.10 −3 1,182.10 7 1 367 367.10 0,127 3 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 2,344 Ghi chó: 1. Khi d n në tõ thÓ tÝch V 1 ®Õn thÓ tÝch V 2 t¹i mét ¸p suÊt p kh«ng ®æi, thùc hiÖn mét c«ng A = p(V 2 − V 1 ). Trong s¸ch b¸o cßn gÆp ®¬n vÞ ®o c«ng ®ã lµ lÝt.atm«tphe (l.atm); 1 l.atm = 101.33 J = 0,10133 kJ = 10 3 cm 3 .1,0133.10 6 dyn/cm 2 = 1,0133.10 9 ec = 10,333 kG.m = 0,0282 Wh = 2,82.10 −5 kWh = 24,2 cal. 2. Cßn gÆp ®¬n vÞ ®o c«ng 1 m lùc giê = 2650 J = 2,7.10 5 kG.m = 0,736 kWh = 633 kcal. 3. §èi víi kil«gam (lùc).mÐt ng−êi ta ®Ò nghÞ dïng pon®¬ (p); 1 pon®¬ = 9,80665 kg.m2/s2 = 9,80665 N.m; 1 kil«pon®¬ (kp) = 9806,65 N.m. §¬n vÞ c«ng suÊt §¬n vÞ c«ng suÊt lµ c«ng suÊt cña mét ®¬n vÞ c«ng s¶n ra trong mét ®¬n vÞ thêi gian. Oat (W) (jun trong 1 gi©y) 1 1000 9,81 4,1868 1,163 735,5 Kil«oat (kW) (kil«jun trong 1 gi©y) 0,001 1 9,81.10 −3 4,1868.10 −3 1,163.10 −3 0,763 kG.m/s cal/s kcal/h 0,102 102 1 0,127 0,1186 75 0,239 239 2,345 1 0,278 176 0,860 860 8,44 3,6 1 633 M· lùc 0,00136 1,36 0,01333 0,0057 0,00158 1 Ghi chó: 1. Mét m lùc hay cßn gäi lµ ngùa ®−îc ký hiÖu lµ HP. Mét m lùc ë Anh vµ Mü ®−îc ký hiÖu lµ hp vµ b»ng 745,7 W = 76,05 kG.m/s = 2686 kJ/h = 1,014 HP = 10,7 kcal/ph. 2. 1 foot-pound (lùc) (ft-lbf)/s = 1,3558 W = 0,3238 cal/s = 0,77 BTU/ph = 0,00182 hp. BTU lµ ®¬n vÞ nhiÖt cña Anh, 1 BTU = 2,930.10 −4 kWh = 0,2930 Wh = 0,252 kcal = 1055 J = 107,56 kG.m. = 778 ft.lbf ; ( lbf = pound lùc). 1 kW = 3600 kJ/h = 3412 BTU/h; 1,0 hp = 2545 BTU/h = 2686 kJ/h. §¬n vÞ ¸p suÊt §¬n vÞ ¸p suÊt lµ ¸p suÊt trªn mét ®¬n vÞ bÒ mÆt, do t¸c dông cña mét träng t¶i b»ng mét ®¬n vÞ lùc ph©n bè ®Òu kh¾p trªn nã. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 281 Niut¬n trªn mÐt vu«ng (1 N.m 2 ) Bar (b) (10 5 N/m 2 ) Milimet thuû ng©n (mmHg) (0 o C) MilimÐt n−íc (mmH 2 O) (4 o C) MÐt n−íc (mH 2 O) (4 o C) kG/cm 2 atm«tphe kü thuËt (at) ¸p suÊt chuÈn hay ¸p suÊt vËt lý (atm) 1 10 5 133,322 9,80665 9806,65 98066,5 101325 10−5 0,0075 750,06 1 9,87.10 −6 0,987 0,001316 98,0665.10−6 0,07356 73,56 735,56 760 10197 10,197 0,013595 0,001 1 10 10,332 1,0197.10 −5 1 133,22.10−16 0,10197 10197 13,595 1 1000 10000 10332 98066,5.10−6 980665.10−6 1,01325 1,0197 0,00136 10 −4 0,1 1 1,0332 9,678.10 −4 9,678.10 −2 0,9678 1 Ghi chó : 1. ¸ p suÊt chuÈn lµ ¸p suÊt cña mét cét thuû ng©n cao 760 mm tÝnh tõ ®¸y n»m ngang cña cét víi träng l−îng riªng cña thuû ng©n 13,5950 kg / cm 3 vµ gia tèc chuÈn cña sù r¬i tù do 980,665 cm / s 2 . 2. p = p a − p b ; p lµ ¸p suÊt d−; p a - ¸p suÊt tuyÖt ®èi; p b lµ ¸p suÊt khÝ quyÓn (®o ®−îc b»ng ¸p kÕ) p a > p b . Khi ®o ¸p suÊt d− p b»ng atm«tphe kü thuËt, ®«i khi atm«tphe ®−îc ký hiÖu lµ at , (p h = pb − p a ; p h lµ ¸p suÊt ch©n kh«ng, p a < p b ) . Atm«tphe kü thuËt at; 1 at = 1 kG / cm 2 = 0,980665 bar = 735,56 mmHg = 9,81.104 N / m 2 = 1 m −1 . kg.s −2 = 10 mH 2 O . 3. ¸ p suÊt chuÈn lµ ¸p suÊt tuyÖt ®èi b»ng 1 atm ; cßn gäi lµ atm«phe chuÈn (hay atm«tphe vËt lý); 1 atm = 1,01325 bar = 1,0332 at = 760 mmHg = 10,33 mH 2 O . 4. Cßn gÆp ®¬n vÞ ¸p suÊt bar; 1 bar = 1 dyn / cm 2 = 0,1 N / m 2 = 750 mmHg ë 0 o C. 5. Cßn gÆp ®¬n vÞ tor¬; 1 torr = 1 mmHg = 0,1 cm . 13,596 g / cm 3 . 981 cm / s 2 = 1333,2 bar . 6. Cßn gÆp ®¬n vÞ ¸p suÊt pascan ( Pa ); 1 Pa = 10 dyn / cm 2 = 0,0075 mmHg = 1 N / m 2 ; 1 MPa = 10 6 Pa = 10,197 kG / cm 2 7. Cßn gÆp ®¬n vÞ ¸p suÊt psia: 1 psi = 6894,76 Pa . 100 kPa = 1 bar = 0,987 atm = 1,02 kG/cm 2 = 14,5 psi 14,696 psi = 1 atm (tiªu chuÈn) = 1001,325 kPa = 1,01 bar = 1,03 kG / cm 2 8. ¸ p suÊt khÝ quyÓn ë ngang mÆt biÓn lµ 1 atm = 760 mmHg = 10,33 mH 2 O . 282 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn §¬n vÞ §é nhít §é nhít ®éng lùc μ (theo thuËt ng÷ tr−íc kia lµ ®é nhít tuyÖt ®èi η ) tÝnh b»ng N.s / m 2 1 N.s / m 2 = 1 kg / ms (v× trong hÖ SI: 1 N = 1 kg.m / s 2 ) Th−êng gÆp ®¬n vÞ ®o lµ poaz¬ (P): 1 poaz¬ = 0,1 N.s / m 2 = 1 dyn.s / cm 2 = 1 g / cm.s §é nhít cña n−íc ë 20,2 o C b»ng 1 cP (centipoaz¬) = 0,01 P (poaz¬) = 1 mPa.s §é nhít ®éng häc ν lµ tû sè gi÷a ®é nhít ®éng lùc cña chÊt láng vµ tû träng cña nã ( ν = μ / ρ ) ®−îc tÝnh b»ng m 2 /s. §¬n vÞ th«ng dông cña ®é nhít ®éng häc lµ st«c ( St ), 1 St = 1 cm 2 / s = 10 −4 m 2 / s = 100 cSt (centist«c). §é nhít tû ®èi lµ tû sè gi÷a ®é nhít cña chÊt láng vµ ®é nhít cña chÊt láng chuÈn (th−êng lµ n−íc) ë cïng nhiÖt ®é hoÆc ë 0 o C (hÖ sè nhít cña n−íc ë 0 o C lµ 1,79 cP, ë 20 o C lµ 1,002 cP. Ghi chó: 1) Trong mét sè ngµnh kü thuËt ng−êi ta gäi ®é nhít tû ®èi lµ ®é nhít riªng 2) Trong s¸ch b¸o cßn gÆp thuËt ng÷ ®é nhít riªng (η r ) η r = η t.® − 1 η t.® : ®é nhít tû ®èi; ηtd = t1 ⋅ ρ1 t 2 ⋅ ρ2 t 1 , ρ 1 − thêi gian ch¶y vµ tû träng cña chÊt nghiªn cøu. t 2 , ρ 2 − thêi gian ch¶y vµ tû träng cña chÊt chuÈn. §é nhít còng tÝnh b»ng çc ®¬n vÞ kü thuËt, thø nguyªn cña chóng lµ kG.s / m 2 , ®¬n vÞ kü thuËt cña ®é nhít = 1 kG.s / m 2 = 98,1 P; 1 P = 0,0102 ®¬n vÞ kü thuËt. §¹i l−îng nghÞch ®¶o cña ®é nhít gäi lµ ®é l−u (th−êng tÝnh b»ng poaz¬ nghÞch ®¶o) ký hiÖu lµ 1/ μ ; 1 poaz¬ nghÞch ®¶o = 10 m 2 / N.s = 10 m.s / kg . Trong kü thuËt ng−êi ta dïng réng r i nhít kÕ Engle ®Ó x¸c ®Þnh ®é nhít quy −íc, tÝnh b»ng ®é Engle ( o E ). Sè ®é Engle lµ tû sè gi÷a thêi gian ch¶y (b»ng gi©y) cña 200 ml chÊt kh¶o s¸t vµ thêi gian ch¶y (b»ng gi©y) cña 200 ml n−íc ë 20 o C . Çch ghi: E50 20 : ch÷ sè ë trªn ghi nhiÖt ®é khi x¸c ®Þnh thêi gian ch¶y cña chÊt láng kh¶o s¸t; ch÷ sè ë d−íi chØ nhiÖt ®é cña n−íc khi ®o. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 283 - T−¬ng quan gi÷a o E vµ ®é nhít μ (hay η ) tÝnh b»ng poaz¬: μ = [0,0731E − (0,63/E)]. ρ trong ®ã ρ lµ khèi l−îng riªng, g/cm 3 . - T−¬ng quan gi÷a o E vµ ®é nhít ®éng ν, tÝnh b»ng cm 2 /s: ν = 0,0731E − (0,631/E) o E 1 2 3 4 5 7,5 ν 0,0100 0,1147 0,1983 0,2766 0,3529 0,5398 E 10 15 20 30 40 50 ν 0,7247 1,0928 1,4588 2,1909 2,9224 3,6537 o §¬n vÞ ®o khèi l−îng Microgam (μg) Miligam (mg) Gam (g) Kil«gam (kg) 1 0,001 0,000 001 10 −9 1.000 1 0,001 0,000 001 1.000.000 1.000 1 0,001 1.000.000.000 1.000.000 1.000 1 BÞ chó: Tªn rÊt th−êng dïng cña microgam lµ gama (ký hiÖu γ): 1γ = 10 − 6 g. Cara (ct) lµ ®¬n vÞ ®o khèi l−îng cña ngäc; 1 cara = 200 miligam (0,2 g) §æi tû träng dtt cña chÊt láng vÒ d4t Trong çc s¸ch tra cøu, ng−êi ta th−êng ghi tû träng cña chÊt láng ®èi víi n−íc ë 4 o C ( d4t ). V× vËy trong nh÷ng tr−êng hîp mµ tû träng cña chÊt láng (d) ®−îc x¸c ®Þnh ë nhiÖt ®é (t) gièng nhiÖt ®é cho trong b¶ng tra cøu, 20 15,56 cßn dông cô dïng ®Ó x¸c ®Þnh d l¹i cho gi¸ trÞ dtt (vÝ dô d15 ,56 , d20 , v.v...) th× cÇn chuyÓn dtt vÒ d4t . ChuyÓn dtt vÒ d4t theo c«ng thøc sau: d4t = dtt − dtt (1 − D) D − tû träng cña n−íc ë nhiÖt ®é t 20 VÝ dô, ta cã d20 = 1,2160 th× ®æi thµnh: d4t = 1,2160 − 12160 × 0,0018 = 1,2160 − 0,0022 = 1,2138 284 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn toC 1−D toC 1−D toC 1−D toC 1−D 0 0,00013 13 0,00060 17,6 0,0013 22 0,0022 4 0,00000 14 0,00073 18 0,0014 23 0,0024 10 0,00027 15 0,00087 19 0,0016 24 0,0027 11 0,00037 15,6 0,00097 20 0,0018 25 0,0029 12 0,00048 16 0,0010 21 0,0020 30 0,0044 12,5 0,00054 17 0,00127 Tû träng t−¬ng ®èi tÝnh nh− sau: ρ (chÊt láng) ρ (n−íc) ρ (chÊt khÝ) M (chÊt khÝ) = - cña chÊt khÝ: d K (hoÆc γ K ) = ρ (kh«ng khÝ) M (kh«ng khÝ) ρ lµ khèi l−îng riªng. - cña chÊt láng: d L (hoÆc γ L ) = Tû träng t−¬ng ®èi cña dÇu cßn ®−îc biÓu diÔn b»ng 0 API: dL = 0 141,5 131,5 + 0 API API = 141,5 − 131,5 dL §¬n vÞ ®o ®é dμi Angstr«m Milimicron Micron Milimet Xentimet Deximet MÐt A mμ μ mm cm dm m 1 0,1 0,0001 10 −7 10 −8 10 −9 10 −10 −6 −7 −8 10 −9 10 1 0,001 10000 1000 1 0,001 0,0001 10 −5 10 −6 10 7 10 6 1000 1 0,1 0,01 0,001 10 8 10 7 10000 10 9 10 8 10 9 10 10 10 10 10 10 1 0,1 0,01 10 5 100 10 1 0,1 10 6 1000 100 10 1 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 285 quan hÖ gi÷a ®¬n vÞ anh vμ ®¬n vÞ hÖ mÐt §¬n vÞ ®o ®é dµi 1 1 1 1 mile (®äc lµ mail¬, ký hiÖu lµ mile) = 1760 yard = 1,609 km; nautical mile (®äc lµ notic¬n mail¬) = 1,853 km yard (®äc lµ ya®¬, ký hiÖu yd.) = 3 foot (fut, ft.) = 36 inch (inhs¬, in.) yard = 0,9144 m; 1 foot = 30,48 cm; 1 inch = 25,400 mm. §¬n vÞ ®o diÖn tÝch 1 1 1 1 square mile (sque mail¬, sq. mile) = 640 acre = 258,99 ha acre (©ycr¬, A) = 4840 square yard = 0,4047 ha square yard (sq. yd.) = 9 square foot = 0,8361 m 2 square inch (sq. in.) = 6,42 cm 2 §¬n vÞ ®o thÓ tÝch 1 cubic yard (kiubic ya®¬, cu. yd.) = 27 cubic foot = 0,7646 m 3 1 cubic foot (cu. ft.) = 1728 cubic inch = 0,02832 m 3 1 cubic inch (cu. in.) = 16,387 cm 3 §¬n vÞ ®o dung tÝch chÊt láng 1 gallon (gal¬n, gal.) = 4 quart (cuot¬, qt.) = 8 pint (paint¬, pt.) 1 barrel (ber¬n, bbl.) (Mü) = 31,5 gallon = 1,59 l (Anh) 1 gallon = 4,546 l; 1 quart = 1,136 l; 1 pint = 0,586 l (Mü) 1 gallon = 3,785 l; 1 quart = 0,946 l; 1 pint = 0,473 l §¬n vÞ ®o khèi l−îng riªng 3 1 kg/m = 0,001 g/cm = 0,0624 lb/ft 3 1 lb/ft 3 = 16,02 kg/m 3 = 0,016 g/cm 3 1 g/cm 3 = 1000 kg/m 3 = 1 kg/l = 62,4 lb/ft 3 286 3 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn Çc tiÒn tè thËp ph©n Çc tiÒn tè thËp ph©n chØ sè lÇn (10n) t¨ng hay gi¶m cña ®¬n vÞ ®o c¬ b¶n. Trong hÖ ®¬n vÞ quèc tÕ, trong hÖ mÐt v.v... tªn cña çc béi vµ −íc thËp ph©n cña ®¬n vÞ ®o c¬ b¶n ®−îc cÊu t¹o nhê çc tiÒn tè. Ký hiÖu Çch ®äc Gi¸ trÞ VÝ dô quèc tÕ G giga 10 9 GN giganiut¬n 1.000.000.000 N M mega 10 6 k kil« MHz megahec 1.000.000 Hz 10 3 kW kil«oat 1000 W 2 hW hect«oat 100 W dal decalit 10 l dm deximet 0,1 m cm xentimet 0,01 m h hecto 10 da deca 10 d dexi 10 −1 c m xenti mili 10 10 −2 −3 mV milivon 0,001 V −6 μA microampe 0,000001 A nH nanohenri 0,000000001H mμF milimicro 0,000000001F μ micro 10 n nano 10 −9 mμ milimicro 10 −9 faraday p pico 10 −12 pF pico faraday http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 10 −12 F 287 tμi liÖu tham kh¶o 1. Acetylen Process and Production. Ed. by Marshalt Sitting. Park Ridge, New Jersey, USA, 1968. 2. Ammonia and Synthesis Gas. Ed. by F. J. Brykowski. Park Ridge, New Jersey, USA, 1981. 3. Applied Catalysis. Elsevier, 1997. 4. Campbell J. M. Gas Conditioning and Processing. Vol 1. The Basic Principles. Campbell Petroleum Series. Normal, Oklahoma. October 1994. 5. Campbell J. M. Gas Conditioning and Processing. Vol 2. The Equipment. Campbell Petroleum Series. Normal, Oklahoma. October 1994. 6. Maddox R. N., Lilly L. L. Gas Conditioning and Processing. Vol 3. Computer Applications. Campbell Petroleum Series. Normal, Oklahoma. October 1994. 7. Maddox R. N. Gas and liquid sweetening. Campbell Petroleum Series. Normal, Oklahoma. October 1974. 8. Catalyss in C 1 Chemistry. Ed. by Wilhelm Keim, Holland 1983. 9. Engineering Data Book, GPSA, Tulsa, Oklahoma, 1994. 10. Erikh V. N., M. G. Rasina, U. G. Rudin. The Chemistry and Techno- logy of Petroleum and Gas. M. 1988. 11. Farrauto R. J., Bartholomew C. H. Fundamentals of Industrial Catalytic Processes. Blackie Academic & Professional. London 1997. 12. Felder R. M., Rousseau R. W. Elementary Principles of Chemical Processes. John Wiley & Sons, Inc. New York 2000. 13. Hydrocacbon Asia. Jan/Feb 1996 14. Hydrocacbon Asia. May/Jun 1996 15. Hydrocacbon Processing. April 1996. 288 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 16. Hydrocacbon Processing. April 1998. 17. Hydrocacbon Processing. March 1995. 18. Hydrocacbon Processing. March 1997. 19. Ind. Eng. Chem. Res. 1998, 37. 20. Ind. Eng. Chem. Res. Vol. 35, N o 3, 697-702, 1996. 21. Ind. Eng. Chem. Res. Vol. 37, N o 4, 1410-1421, 1998. 22. Ind. Eng. Chem. Res. Vol. 37, N o 5, 1579-1705, 1998. 23. Katz D. L., Lee R. L. Natural Gas Engineering Production and Storage. Mc Graw - Hill Pub. Co. 1990. 24. Kirl Othmer. Encyclopedia of Chemical Technology. Joln Wiley and Sons, 1997. 25. Metan Activation. Proceeding of The European Workshop, Bochum, FRG., May 2-3, 1988. Ed. by M. Baerns, J. R. H. Ross and K. Van der Wiele. Elservier,1989. 26. Metanol Technology and Application in Moto Fuels. Ed. by J. K. Paul. Park Ridge, New Jersey, USA 1978. 27. Miller S. A. Acetylen. It’s properties, Manufacture and Uses. London, Ernets Benn Limited, 1965. 28. Natural Gas Conversion IV. Proceeding of The Natural Gas Conversion Symposium. Studies in Surface Science and Catalysis. Vol. 107. Elservier, 1997. 29. Natural Gas Conversion V. Proceeding of The Natural Gas Conversion Symposium, Studies in Surface Science and Catalysis. Vol. 119. Elservier, 1998. 30. Natural Gas Conversion. Proceeding of The Natural Gas Conversion Symposium, Oslo, August 12-17, 1990. Studies in Surface Science and Catalysis. Vol. 61. Elservier, 1991. 31. New Developments in Selective Oxidation. Ed. by G. Centi and F. Trifiro. Elsevier, 1990. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 289 32. Optimization of The Production and Utilization of Hydrocacbon. Ed.3by M. Frias. Published by Graham and Trotman 1991. 33. Proceeding of The Fourth Symposium on The Development of Petroleum Resources of Asia and The Far East. Bankok (Thailand) 1969. United Nations, New York, 1973. 34. Progress in C 1 Chemistry in Japan. Ed. by The Research Association for C 1 Chemistry. Toranomon, Minato-ku, Tokyo 105, Japan. Elsevier, 1989. 35. Reid R. C, J. M. Prausnitz, T. K. Sherwood. The Properties of Gases and Liquids. New york. MacGraw Hill Book Company, 1977. 36. Separation Technology. Proccedings of The Third International Symposium on Separation Technology, Antwerp Belgium, August 2227, 1993. Ed. by E. F. Vansant. Elsevier 1994 37. Speight J. G. Gas Processing: Environmental Aspects and Methods. Butterworth Heinemann 1993. 38. Starling K. E., Han U.S. Hydrocarbon Processing. May 1972, 129. 39. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. VCH Verlagsgesellschaft mBh, FRG., 1990. 40. Áåðëèí Ì. À., Ãîðå÷åíêîâ Â. Ã., Âîëêîâ Í. Ï. Ïåðåðàáîòêà íåôòÿíûõ è ïðèðîäíûõ ãàçîâ. Ì. Õèìèÿ, 1981. 41. Áåêèðîâ Ò. Ì. Ïðîìûñëîâàÿ è çàâîäñêàÿ îáðàáîòêà ïðèðîäíûõ è íåôòÿíûõ ãàçîâ. Ì. Íåäðà, 1980. 42. Áîðèñîâè÷ Ã. Ô., Õîõðÿêîâ Ì. À., Ðîçèíà Ð. À. Õèì. Ïðîì. N o 8 , 561, 1963 43. Àðóòþíîâ Â. Ñ., Êðûëîâ Î. Â. Îêèñëèòåëüíûå ïðåâðàùåíèÿ ìåòàíà. Ì. Íàóíêà, 1998. 44. Ãóðåâè÷ È. Ë. Òåõíîëîãèÿ ïåðåðàáîòêè íåôòè è ãàçîâ. Êèåâ, Òåõíèêà, 1964. 45. Ãàíç Ñ. Í. Òåîðåòè÷åñêèå îñíîâû è òåõíîëîãèÿ ñèíòåçà àììèàêà. Êèåâ, Âûñøàÿ øêîëà, 1969. 46. Äàíêâåðñò Ï. Â. Ãàçîæèäêîñòíûå ðåàöèè. Ì. Õèìèÿ, 1973. 290 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 47. Æäàíîâà Í. Â. Îñóøêà óãëåâîäîðîäíûõ ãàçîâ. Ì. Õèìèÿ, 1984. 48. Êàëàøíèêîâ Î. Â., Ìàðåíêî À. Í., ×åãëèêîâ À. Ã. Õèìè÷åñêàÿ òåõíîëîãèÿ N o 5 , 27, 1972. 49. Êóçíåöîâ À. À. Ðàñ÷¸òû îñíîâíûõ ïðîöåññîâ è àïïàðàòîâ ïåðåðàáîòêè óãëåâîäîðîäíûõ ãàçîâ. Ñïðàâî÷íîå ïîñîáèå. Ì. Õèìèÿ, 1983. 50. Ìàçãàçîâ À. Ì. Íåôòåïåðåðàáîòêà è íåôòåõèìèÿ. N o 5 , 28, 1975. 51. Ðîìàíþê È. Ì., ×óðèê Ã. Ï. Õèì. Ïðîì. N o 7 , 3 95,1986. 52. Ðàáèíüâè÷ Ã. Ã. è äð. Ðàñ÷¸òû îñíîâíûõ ïðîöåññîâ è àïïàðàòîâ íåôòåïåðåðàáîòêè. Ì. Õèìèÿ, 1979. 53. Øåíäåðåé Å. Ð., Èâàíîâñêèé Ô. Ï. Õèì. Ïðîì. N o 2 , 91, 1963. 54. Øåíäåðåé Å. Ð., Èâàíîâñêèé Ô. Ï. Õèì. Ïðîì. N o 9 , 650, 1963. 55. Kaz D. L., Poettmann F. H., Vary J. A., Elenbaarr J. R. Weinanug C. F. Handbook of Natural Gas Engineering. McGraw - Hill Book Company, New York, 1959. http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn 291 C«ng nghÖ ChÕ biÕn khÝ tù nhiªn vμ khÝ ®ång hμnh T¸c gi¶: NguyÔn thÞ Minh HiÒn ChÞu tr¸ch nhiÖm xuÊt b¶n: PG s . T s . T« §¨ng H¶i Biªn tËp: NguyÔn Ngäc − Ph¹m V¨n ChÕ b¶n: D−¬ng V¨n QuyÕn H−¬ng Lan VÏ b×a: Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc vµ kü thuËt 70- TrÇn H−ng §¹o − Hµ Néi In 1000 cuèn, khæ 16 × 24 cm, t¹i X−ëng in NXB V¨n ho¸ D©n téc GiÊy phÐp xuÊt b¶n sè: 486-22-18/7/02 Sè míi ch−a cã In xong vµ nép l−u chiÓu th¸ng 7 n¨m 2004 292 http://www.ebook.edu.vn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn [...]... lợng heli từ khí tự nhiên và khí đồng hành đ cạn sẽ đợc mang ra sử dụng, bởi vì tách heli từ không khí có chi phí cao hơn rất nhiều Trong những năm gần đây, ở nhiều nớc có xu hớng tăng công suất các nhà máy chế biến khí Tại các nhà máy chế biến khí mới xây dựng, ngời ta đ lắp đặt các thiết bị mới thực hiện đồng thời một vài quá trình công nghệ chế biến khí Có những nhà máy tại đó các quá trình công nghệ... trong nhà máy chế biến khí Tăng công suất các nhà máy chế biến khí đ tăng nhịp độ phát triển của công nghiệp chế biến khí Điều đó còn phụ thuộc rất nhiều yếu tố nh: công nghệ chế tạo thiết bị, vấn đề khai thác và vận chuyển khí, sử dụng nguyên liệu và sản phẩm Đó là những vấn đề rất phức tạp, để giải quyết cần phải xuất phát từ điều kiện sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên khí tự nhiên và khí đồng hành... www.daihoc.com.vn Chơng I Giới thiệu về khí tự nhiên v khí đồng hnh I.1 Thnh phần v các đặc tính của khí tự nhiên v khí đồng hnh Những cấu tử cơ bản của khí tự nhiên và khí đồng hành là: metan, etan, propan, butan (normal và izo) Khí tự nhiên đợc khai thác từ các mỏ khí, còn khí đồng hành đợc khai thác từ các mỏ dầu đồng thời với quá trình khai thác dầu mỏ Trong khí tự nhiên thành phần chủ yếu là metan... phần khí tự nhiên và khí đồng hành còn có H2 O, H 2 S cùng các hợp chất chứa lu huỳnh, CO 2 , N 2 và heli Ngời ta còn phân loại khí theo hàm lợng hydrocacbon từ propan trở lên Khí giàu propan, butan và các hydrocacbon nặng (trên 150 g/m 3 ) đợc gọi là khí béo (hoặc khí dầu) Từ khí này ngời ta chế đợc xăng khí, khí hoá lỏng (LPG) và các hydrocacbon cho công nghệ tổng hợp hữu cơ Còn khí chứa ít hydrocacbon... phẩm đó Trong năm 1978, ở các nớc t bản (trừ Mỹ) đ đầu t 3,2 tỉ đô la để xây dựng những nhà máy chế biến khí, chiếm khoảng 50% tổng số đầu t cho công nghiệp chế biến dầu Khí tự nhiên và khí đồng hành không chỉ là nhiên liệu và nguyên liệu để sản xuất etan, propan, và các hợp chất khác Khi làm sạch và chế biến khí ngời ta còn nhận đợc một lợng lớn lu huỳnh, heli và một số sản phẩm vô cơ khác cho nhiều... hành mỏ Bạch Hổ, Rồng, Đại Hùng là rất thuận lợi cho chế biến và sử dụng, an toàn thiết bị và không gây ô nhiễm môi trờng I.2 Chế biến sử dụng khí tự nhiên v khí đồng hnh trên thế giới Khí tự nhiên và khí đồng hành đợc khai thác từ trong lòng đất là hỗn hợp các hydrocacbon của d y metan gồm có: metan, etan, propan, butan Ngoài ra trong thành phần của khí còn có: He, N2 , CO 2 , H 2 S Số lợng và hàm... hành của từng nớc I.3 Chế biến v sử dụng khí tự nhiên v khí đồng Hnh ở Việt nam Cho đến nay Việt Nam đang khai thác 6 mỏ dầu và 1 mỏ khí, hình thành 4 cụm khai thác dầu khí quan trọng: Cụm mỏ thứ nhất nằm ở vùng đồng bằng Bắc Bộ, gồm nhiều mỏ khí nhỏ, trong đó có Tiền Hải C, trữ lợng khoảng 250 tỷ m3 khí, đ bắt đầu khai thác từ tháng 12 năm 1981 với trên 450 triệu mét khối khí phục vụ công nghiệp... nghiệp chế biến khí tự nhiên Mỹ đứng đầu về sản xuất heli, một trong những sản phẩm quan trọng nhất trong công nghệ nghiên cứu vũ trụ, nghiên cứu khí quyển, kỹ thuật thâm lạnh, sắc ký, ở Mỹ có 12 nhà máy sản xuất heli với tổng sản lợng 135 m 3 /năm Nhu cầu về heli năm 1980 là 35 triệu m3 , đến năm 1999 là 60 triệu m3 Theo chơng trình quốc gia dài hạn, toàn bộ số heli d thừa từ các nhà máy chế biến khí. .. trên, ngời ta sử dụng phơng trình trạng thái xác định quan hệ giữa nhiệt độ, áp suất và thể tích của hệ Với hệ khí lý tởng chúng ta có phơng trình trạng thái: PV = nRT (II.4) Tính chất nhiệt động của khí tự nhiên, khí đồng hành và các cấu tử của chúng rất khác với tính chất của khí lý tởng, đặc biệt 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... tích) Các mỏ khí tự nhiên là các túi khí nằm sâu dới mặt đất Khí đồng hành nhận đợc từ các mỏ dầu cùng với quá trình khai thác dầu mỏ Trong thành phần của khí đồng hành ngoài cấu tử chính là metan còn có etan, propan, butan và các hydrocacbon nặng với hàm lợng đáng kể Thành phần những cấu tử cơ bản trong khí thay đổi trong một phạm vi khá rộng tuỳ theo mỏ dầu khai thác Ngoài ra trong thành phần khí tự nhiên ... II Các trình công nghệ chế biến khí 111 Chơng V Chuẩn bị khí để chế biến V.1 Làm khí khỏi tạp chất học 113 113 V.2 Các phơng pháp hạn chế tạo thành hydrat trình chế biến khí 116 V.3 Làm khí khỏi... chất khí tự nhiên v khí đồng hnh 11 Chơng I Giới thiệu khí tự nhiên khí đồng hành 13 I.1 Thành phần đặc tính khí tự nhiên khí đồng hành I.2 Chế biến sử dụng khí tự nhiên khí đồng hành giới I.3 Chế. .. kế công nghệ Phần II: Các trình công nghệ chế biến khí, bao gồm công nghệ làm khí khỏi tạp chất (tách bụi, làm khí, sấy khí) trình công nghệ chế biến đợc sử dụng phổ biến Đó http://www.ebook.edu.vn

Ngày đăng: 10/10/2015, 10:36

Xem thêm: Giáo trình Chế biến khí, Giáo trình Chế biến khí

Giáo trình Chế biến khí

Thông tin tài liệu

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan