Bài giảng công nghệ khí (ths hoàng trọng quang) chương 2

Bài giảng CÔNG NGHỆ KHÍ Chương 2: TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ NGUYÊN LÝ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA KHÍ THIÊN NHIÊN GVGD: ThS Hoàng Trọng Quang GVTG: ThS Hà Quốc Việt NỘI DUNG Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Tính chất vật lý khí thiên nhiên GIỚI THIỆU KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ KHÍ THỰC TỶ TRỌNG VÀ KHỐI LƯỢNG RIÊNG TÍNH CHẤT GIẢ TỚI HẠN HỆ SỐ LỆCH KHÍ HỆ SỐ THỂ TÍCH THÀNH HỆ HỆ SỐ NÉN ĐẲNG NHIỆT ĐỘ NHỚT NHIỆT ĐỐT CHÁY CỦA KHÍ ENTROPY ENTANPI Nguyên lý động lực học khí thiên nhiên Trường Đại học Bách khoa Tp HCM GIỚI THIỆU Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Tính chất khí thiên nhiên bao gồm: tỷ trọng, khối lượng riêng, áp suất nhiệt độ giả tới hạn, độ nhớt, hệ số lệch khí, hệ số nén đẳng nhiệt Sự am hiểu thông số quan trọng để thiết kế phân tích hệ thống khai thác xử lý Khi thành phần khí biết tính chất khí xác định thông qua tương quan Ở trình bày tương quan phát triển từ thí nghiệm khác Trường Đại học Bách khoa Tp HCM KHÍ LÝ TƯỞNG – KHÍ THỰC Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Định luật khí lý tưởng: P.V = n.R’.T Định luật khí thực: p.Va = z.n.R’.T Với: P - áp suất tuyệt đối (psia) V - thể tích (ft3) n - số mole (lb-mole) R’ - số = 10,73 psia.ft3/lb.mole.R T - nhiệt độ tuyệt đối (R) z - Hệ số lệch khí Trường Đại học Bách khoa Tp HCM KHÍ LÝ TƯỞNG – KHÍ THỰC Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Mole: Lượng vật chất (số nguyên tử phân tử) có khối lượng trọng lượng nguyên tử phân tử vật chất  Không khí: M = 28,97 lbm/lb-mol = 28,97 kg/kmol  Ethane: M = 30,07 lbm/lb-mol = 30,07 kg/kmol  Oxygen: M = 32 lbm/lb-mol = 32 kg/kmol Trường Đại học Bách khoa Tp HCM KHÍ LÝ TƯỞNG – KHÍ THỰC Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Thể tích khí tiêu chuẩn: Thể tích mà lb-mol choán chỗ điều kiện chuẩn áp suất (14,7 psia = atm = 760 mmHg) nhiệt độ (60F = 15,5 C = 520 R) V tc  n.R '.T 10 ,73 520   379 , SCF P 14 ,7 (SCF- Standard Cubic Feet, ft3) Một lượng khí ròng biểu diễn theo: ft3 (ở nhiệt độ áp suất định) Số mole, Số pound hay số phân tử Trường Đại học Bách khoa Tp HCM KHÍ LÝ TƯỞNG – KHÍ THỰC Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Ví dụ 1: Tính lượng khí ethane bồn chứa theo số mole, pound, số phân tử SCF Cho biết V = 1000 ft3 áp suất p = 100 psia nhiệt độ T = 100 F Giải:  Giả sử định luật khí lý tưởng thỏa mãn: PV = nR’T  Số mole: n PV 100 1000   16 ,64 lb - moles R' T 10 ,73 560  Khối lượng: m  n.M  16,64  30,07  500 ,4 lbm  Số pound: G  n.M  16,64  30,07  500 ,4 lb  Số phân tử  n.(2,733 10 26 )  45 ,5 10 26 Chú ý: Hệ thống BES, trọng lượng (lb) = khối lượng (lbm = lb.s2/32,2 ft)  g (= 32,2 ft/s2) Thể tích khí ethane điều kiện chuẩn: Vtc  n.379,6 SCF  6316 SCF Trường Đại học Bách khoa Tp HCM KHỐI LƯỢNG RIÊNG & TỶ TRỌNG Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 PV M Khoáilöôïng n.M R ' T     Khối lượng riêng Theåtích V V pM phụ thuộc vào áp suất nhiệt độ  R'T Tỷ trọng: g   g  air pM M  g  R' T  p.28 ,97 28 ,97 R' T (ở áp suất nhiệt độ) (không phụ thuộc vào áp suất nhiệt độ) Ví dụ 2: Tỷ trọng chất khí g = 0,75 khối lượng mole là: M = 28,97g=28,970.75=21,7 lbm/lb-mole Trường Đại học Bách khoa Tp HCM KHỐI LƯỢNG RIÊNG CỦA KHÍ TRONG VỈA Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008  Số mole khí chứa V = ft3 vỉa: n  pV p  zR ' T zR ' T  Khối lượng mol mol khí: M = 28,97g  Khối lượng riêng khí vỉa:  g  nM  28,97  g p zR' T • Ví dụ 3: Hãy tính khối lượng khí vỉa biết g = 0,665, z = 0,91 p = 3250 psia T = 213 F • Giải: g  28,97.0,665.3250  9.53 lbm / cuft 0,91.10.73(213  460) Trường Đại học Bách khoa Tp HCM TÍNH CHẤT GIẢ TỚI HẠN Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Nhiệt độ tới hạn Tc nhiệt độ mà nó, trạng thái khí chuyển thành trạng thái lỏng dù có tăng áp suất Ví dụ: nước 374 C, CO2 31,1 C … Áp suất tới hạn pc áp suất cần phải đạt để chất khí ngưng tụ thành lỏng nhiệt độ tới hạn Tương tự khối lượng mole biểu kiến, tính chất tới hạn khí xác định dựa tính chất tới hạn thành phần khí Những tính chất gọi tính chất giả tới hạn Áp suất giả tới hạn (ppc): Nhiệt độ giả tới hạn (ppc) pci Tci áp suất nhiệt độ tới hạn thành phần Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 10 ĐỘ NHỚT CỦA HYDROCACBON LỎNG Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008  m    i xi  Trong đó: μm :Độ nhớt hỗn hợp lỏng centipoice (cp) μi : Độ nhớt thành phần i tra đồ thị xi : Phần moles thành phần i Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 64 ÁP SUẤT HƠI BÃO HÒA Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Đại lượng phụ thuộc vào nhiệt độ tính toán theo phương trình Antoine sau Với: Trong đó: P: Tc: Tb: Áp suất bão hoà hỗn hợp lỏng (psia) nhiệt độ T (R) Nhiệt độ tới hạn (R) Nhiệt độ sôi trung bình (R) Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 65 HỆ SỐ KHÔNG ĐỒNG BỘ Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008  Pvp W   log   Pc   1   Trong đó: Pvp áp suất bão hoà TR = 0,7 Đối với hỗn hợp W=Σyiwi Ví dụ tính wi cấu tử: T Bằng cách tra Pvp TR = Tc  Pvp Sau tính W   log   P  c  ,7   1   66 ENTHANPY Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Trong thực toán nhiệt động học ta thường gặp biểu thức u+pv sau biểu thức có tên entanpy H Trong nhiều trường hợp lượng biến đổi H mang ý nghĩa lượng Trong phương pháp giải tích xác định enthanpy người ta sử dụng phương pháp dựa sở phương trình trạng thái Redlich-Kwong-Barxuk áp dụng cho hệ hydrocacbon C1 đến C10 có chứa N2, CO2, H2S enthanpy tính theo biểu thức Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 67 ENTHALPY Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008     To    y H  RT  Z    R y B  C   T c   i oi  i i i   T     H  MW   m    ln      Z      , kJ / kg   A1T T  T  T  T  T  Hoi  4,187  A2    A3    A4    A5    A6    100 100 100 100 100  100 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 68 ENTROPY Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Entropy loại thông số trạng thái mà lượng biến đổi trình thuận nghịch có giá trị dS= δQ/T Trong phương pháp giải tích xác định entropy người ta sử dụng phương pháp dựa sở phương trình trạng thái Redlich-Kwong-Barxuk áp dụng cho hệ hydrocacbo C1 đến C10 có chứa N2, CO2, H2S entropy tính theo phương trình:  m  Z m Sohh  R.r ln1    R ln  Z P    Shh   2,23 MW Sohh = ΣyiSoi - RΣ(yi * lnyi) Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 69 NHIỆT DUNG RIÊNG Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Nhiệt dung riêng chất lượng nhiệt cần thiết để nâng đơn vị khối lượng tăng thêm 1oC Nhiệt dung riêng hỗn hợp hydrocacbon khí xác định từ phương trình: Cp = ΣCopi.yi + ΔCp Cp: Nhiệt dung mole hỗn hợp khí hydrocacbon P,T Copi: Nhiệt dung mole cấu tử i trạng thái lí tưởng T tìm cách tra đồ thị hình 2.46 ΔCp: Đại lượng hiệu chỉnh cho áp suất P tìm cách tra đồ thị Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 70 NHIỆT LƯỢNG Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Tính nhiệt lượng theo thay đổi entropi: Entropy loại thông số trạng thái mà lượng biến đổi 92Y 5,5Y 2,5Y    100%  Y  4,63% 2,9 2,1 biến đổi trình thuận nghịch có giá trị bằng: dS = δQ/T Đối với 1kg môi chất công thức viết lại sau: ds = δq/T Ta có quan hệ: dS = G*ds Trong đó: ds lượng biến đổi entropy trình thuận nghịch vô bé với khối lượng 1kg Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 71 NHIỆT LƯỢNG Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Tính nhiệt lượng theo thay đổi nhiệt độ: Khi có trao đổi nhiệt lượng hỗn hợp khí môi trường nhiệt độ hỗn hợp khí thường thay đổi Nhiệt lượng trao đổi tính qua công thức: Q = ΣCi*mi*Δti Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 72 Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên Hệ số lệch tâm Năm 1936, Pitzer đưa hệ số lệch tâm w để giải thích độ lệch dựa vào khác theo điều kiện cụ thể Pitzer nhận thấy argon gặp dạng chất lỏng đơn giản xác định Ps/Pc = 0,1 TR = 0,7 Hệ số lệch tâm xác định phương trình:  Ps    log   Pc   1  TR 0,7 Vì hệ số lệch tâm đo có khac chất lỏng trạng thái hợp chất phức tạp chất lỏng đơn giản Việc nghiên cứu phương trình trạng thái có kể thêm thông số w, thông số phụ thuộc vào thành phần có liên quan, làm tăng đáng kể độ xác phương trình Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 73 Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên Phương trình Soave Peng-Robinson Trong đó: – a(T) b phương trình xác định theo phương trình: 2 R Tc a  0,45724  (TR ) Pc – xác định phương trình Soave Nó thay đổi theo nhiệt độ giảm xuống dựa theo phương trình Soave hàm liêm quan đến thông số m với hệ số lệch tâm khác: a()T : m  0,37464  1,54226  0,26992 RTc b  0,0778 Pc Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 74 Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên Phương trình trạng thái phi khối Các phương trình dạng phức tạp phương trình đưa trước Nó bao gồm lượng lớn thông số, thiết lập để hiệu chỉnh mức độ xác công việc tính toán Thương thường có nhiều ba thông số đòi hỏi trình tính toán thức tạp hơn, lâu Phương trình BWR (Benedict tác giả khác) xuất phát từ phương trình “virial”, thường sử dụng để thể đặc tính pha khí điều kiện áp suất trung bình Phương trình “virial” thiết lập theo phát triển hệ số lệch khí dãy số Taylor 1/V: PV B C Z     RT V V Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 75 Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên Phương trình trạng thái phi khối Nó thường bỏ qua số hạng đứng phía trước số hạng 1/V2 Hệ số B C gọi tương ứng hệ số “virial” thứ hai thứ ba Phương trình BWR có hai số hạng hiệu chỉnh đưa từ thực nghiệm Phương trình viết cách biểu thị giá trị nghịch đảotheo thể tích khối: P  TR M  ( Bo RT  Ao  Co T )  M2  (bRT   )  M3 c   a M6  2M (1   M2 ) exp(  M2 ) T Trong có hệ số phương trình phụ thuộc vào loại thành phần cần quan tâm Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 76 Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Phương pháp Lee – Kesler Nguyên tắc chung phương pháp Lee – Kesler bao gồm tính toán giá trị Fp đặc tính nhiệt động, từ giá trị F(o) F(r) đặc tính chất lưu đơn chất có chất lưu mẫu cho phương trình: Fp  F o     r  ( F  r   F o  )  Phương trình trạng thái cho thàn phần với hệ số lệch tâm tính toán từ phương trình trên, tiếp tính toán hệ số lệch khí:  o  Z  Z   r  Z  r   Z o     Các số hạng Z(o), Z(r) xác định hàm số theo VR TR cách chọn phương trình trạng thái Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 77 Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 2008 Áp dụng cho hỗn hợp Các phương trình đề cập mở rộng áp dụng cho hỗn hợp, đưa hệ số phương trình áp dụng cho hỗn hợp liên quan tới chất khí Đối với phương trình phát triển sở biến đổi từ phương trình Van Der Waals phương trình Redlich – Kwrong, Soave phương trình Peng – Robinson, nguyên tắc kết hợp thường áp dụng thành phần xác định dạng phần mole Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 78 [...]... 1.n.R.T 1  z 1 p1Va1 T2     p1.Va2  z 2 n.R.T 2  z 2 T1 p 2 Va 2 Ví dụ 5: Một mẫu khí có Va1 = 364,6 ft3 ở 21 3 F và 325 0 psia, Va2 = 70860 ft3 ở 82 F và 14,8 psia (z2  1) Tính hệ số lệch khí? Giải: z1 325 0 364 ,6 460  82    0,91  z1  0,91 1 460  21 3 14 ,8 70860 17 PHƯƠNG PHÁP 2: ƯỚC TÍNH Z TỪ TỶ TRỌNG g CỦA CHẤT KHÍ Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 20 08 Phương pháp của Sutton:... HCM 22 PHƯƠNG PHÁP 4: XÁC ĐỊNH TỪ MỐI TƯƠNG QUAN Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 20 08  Vander Wals: Z3 – (1 + B)Z2 + AZ – AB = 0 A = a*p/(R2*T2) , B = b*p/R/T a = 27 *R2*Tc2/64/Pc, b = R*Tc/8/Pc  Peng Robi: Z3 – (1 - B)*Z2 + (A - 2B - 3B2)*Z – (AB – B2 - B3) = 0 A = a*p/(R2*T2) , B = b*p/R/T a = 0,45 724 *R2*T2c/(pc*d), b = 0,00778R*Tc/pc d0,5 = 1+m(1-Tr0,5), m = 0,37464 + 1,5 422 6W 2, Tt... PHẦN CỦA KHÍ Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 20 08 Ví dụ 7: Tính z của một chất khí từ các thành phần của nó ở 325 0 psia và 21 3 F Thành phần Tỉ lệ khí mole (1) (2) (3) (4) (5) (6) Methane CH4 Ethane C2H6 Propane C3H8 Butane iC4H10 Pentane nC5H 12 CO2 N2 Tổng 0,86 12 0,0591 0,0358 0,01 72 0,0050 0,0010 0, 020 7 1,0000 16,04 30,07 44,09 58, 12 72, 15 44,01 28 , 02 673 708 617 550 490 1070 4 92 343 550... 1- Khí lý tưởng: ppc  756,8  131(0, 72)  3,6(0, 72) 2  756,8  94,3  1,87  660,6 psia 2- Khí thực: Tpc  169 ,2  349,5(0, 72)  74(0, 72) 2  169 ,2  25 1,6  38,4  3 82, 4 R ppr  20 00  3,03 , 660 ,6 Tpr  600  1,57 ; 3 82 ,4  dz   dp  pr    0, 025   Tpr 1,57  Từ đồ thị Standing & Katz (H.1 .2)  z = 0, 82  Từ đồ thị này, tìm được: C pr  1  1 (0, 025 )  0,33  0,0305  0,361 3,03 Cg... 550 490 1070 4 92 343 550 666 766 846 548 22 7 13,81 1,78 1,58 1,00 0,36 0,44 0,58 19,55 g  Mo Áp suất Nhiệt độ Mg ppc Tpc tới hạn pc tới hạn Tc (2) x (3) (2) x (4) (2) x (5) 19,55 325 0  0,675 ; p pr   4,875 ; 28 ,97 666 ,68 Tpr  (7) (8) 579,59 29 5,39 41,84 32, 51 22 ,09 23 ,84 9,46 13,18 2, 45 4 ,23 1,07 1,07 10,18 4,70 666,68 374, 92 460  21 3  1,80 374 , 92 Từ đồ thị Standing & Katz (ppr, Tpr, z)... pr   CprCg  (1 .23 ) ) 1 1   500 10  6 psi p 20 00 -1 (ppr, Tpr Standing & Katz Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 31 HỆ SỐ NÉN ĐẲNG NHIỆT Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 20 08 HÌNH 2: 32 HỆ SỐ NÉN ĐẲNG NHIỆT Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 20 08  Ví dụ 10: Khí có g = 0, 72, tính Cg ở 20 00 psia và 140 F trong trường hợp: Khí lý tưởng và khí thực  Giải: 1- Khí lý tưởng: ppc... 1 19 PHƯƠNG PHÁP 2: ƯỚC TÍNH Z TỪ TỶ TRỌNGg CỦA CHẤT KHÍ Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 20 08 Ví dụ 6: Chất khí trong vỉa có g = 0,665, p = 325 0 psia, T = 21 3 F Tính z? Giải: 1 Dựa theo cơng thức (1.14) và (1.15)  ppc = 668 psia, Tpc = 369 R 2 Cơng thức (1.16) và (1.17)  ppr  325 0 160  21 3  4,87 ; ppr   1, 82 668 369  ppr = 4,87 và Tpr = 1, 82, tra đồ thị H.1 .2  z = 0,918 Trường... Dầu khí Copyright 20 08 Hall và Yarborough (1973): Y thường được giải bằng phương pháp lặp Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 26 PHƯƠNG PHÁP 4: XÁC ĐỊNH TỪ MỐI TƯƠNG QUAN Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 20 08 Ví dụ 8: Xác định hệ số lệch khí của khí thiên nhiên có tỷ trọng 0.71 ở 5000 psi và 180 oF 27 HỆ SỐ HÌNH THÀNH THỂ TÍCH KHÍ Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 20 08 Thểtích khí. .. Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 23 PHƯƠNG PHÁP 4: XÁC ĐỊNH TỪ MỐI TƯƠNG QUAN Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 20 08 Brill and Beggs (1974): 24 PHƯƠNG PHÁP 4: XÁC ĐỊNH TỪ MỐI TƯƠNG QUAN Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Copyright 20 08 Ví dụ: Xác định độ nhớt hệ số lệch khí của hỗn hợp khí có tỷ trọng 0.65, 10% N2, 8%CO2 ở áp suất 10.000 psia và nhiệt độ 180oF Kết quả: 25 PHƯƠNG PHÁP 4: XÁC ĐỊNH... thể tích thành hệ khí Bg? Giải: B g  0 , 028 29  0 , 91 ( 21 3  460 )  0 , 00533 325 0 cuft / SCF  Suy ra 1 SCF thể tích khí ở điều kiện chuẩn trên bề mặt sẽ chiếm thể tích Va = 0,00533 ft3 trong vỉa ở 325 0 psia và 21 3 F  1000 ft3 thể tích khí trong vỉa ở 325 0psia và 21 3F sẽ tương ứng với thể tích: 1000 0,00533 =188000SCF= 188MSCF ở điều kiện chuẩn Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 29 HỆ SỐ NÉN ĐẲNG ... Ethane C2H6 Propane C3H8 Butane iC4H10 Pentane nC5H 12 CO2 N2 Tổng 0,86 12 0,0591 0,0358 0,01 72 0,0050 0,0010 0, 020 7 1,0000 16,04 30,07 44,09 58, 12 72, 15 44,01 28 , 02 673 708 617 550 490 1070 4 92 343... Robi: Z3 – (1 - B)*Z2 + (A - 2B - 3B2)*Z – (AB – B2 - B3) = A = a*p/(R2*T2) , B = b*p/R/T a = 0,45 724 *R2*T2c/(pc*d), b = 0,00778R*Tc/pc d0,5 = 1+m(1-Tr0,5), m = 0,37464 + 1,5 422 6W 2, Tt = T/Tc Trường...  500 ,4 lb  Số phân tử  n. (2, 733 10 26 )  45 ,5 10 26 Chú ý: Hệ thống BES, trọng lượng (lb) = khối lượng (lbm = lb.s2/ 32, 2 ft)  g (= 32, 2 ft/s2) Thể tích khí ethane điều kiện chuẩn: Vtc