Bài giảng công nghệ khí (ths hoàng trọng quang) chương 3

Copyright 2007 Bài giảng CÔNG NGHỆ KHÍ Chương 3: ĐẶC TÍNH PHA CỦA KHÍ LỎNG GVGD: ThS Hoàng Trọng Quang GVTG: ThS Hà Quốc Việt Nội dung Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Khái niệm pha Một số pha phổ biến đặc điểm chúng Lịch sử nghiên cứu pha Lý nghiên cứu pha Ứng xử pha hệ đơn cấu tử Giản đồ pha 3D (P-V-T) hệ đơn cấu tử Giản đồ pha 2D (P-V) hệ đơn cấu tử Ứng xử pha hệ đa cấu tử 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Khái niệm pha Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Pha 01 thực thể có tính chất ứng xử giống hệ thống Thí dụ hydrocarbon lỏng nước hai pha lỏng không hòa lẫn có tính chất khác nhau, hay nước đá hydrate chất rắn có màu trắng chúng có tính chất đặc trưng vật lý khác Pha môi trường liện tục chứa nhiều chất mà mối quan hệ nhiệt độ, áp suất thể tích biểu diễn phương trình liên tục (Clausius Clapeyron) 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Một số pha phổ biến đặc điểm chúng Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Có ba pha phổ biến, nhận dạng qua mắt thường là: Pha rắn: hình dạng xác định gần không nén Pha lỏng: thể tích xác định hình dạng xác định Nó khó nén được, trừ áp suất cực lớn Pha khí: không tích hay hình dạng xác định Nó nén dễ dàng  hoạt động cao Chúng ta có nhiều pha rắn lỏng nhiều pha khí Trong công nghiệp khí may mắn thường cần khảo sát pha khí lỏng 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Lịch sử nghiên cứu pha Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Một số nhà tiên phong có đóng góp quan trọng nghiên cứu pha như: Faraday xây dựng giản đồ pha cho chất như: N2, H2S, SO2, CO2 vào năm 1845 Andrew ghi nhận liên tục pha khí lỏng nhiệt độ áp suất cao dẫn đến khái niệm điểm tới hạn vào năm 1869 Gibbs phát biểu quy tắc pha vào năm 1876 Kuenen khám phá tượng ngưng tụ ngược vào năm 1982 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Lý nghiên cứu pha Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Chúng ta phải biết pha hay pha tồn điều kiện áp suất, nhiệt độ thể tích cho trước để xác định rõ mức lượng tương ứng Trong công nghệ khí gặp phải nhiều chế độ tự nhiên việc xử lý chất lưu tồn hai pha như: Dòng chất lưu đường ống thu gom Sự chưng cất Sự hấp thụ Các hoạt động truyền nhiệt bay hơi, v.v… 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM ỨNG XỬ PHA CỦA CÁC HỆ ĐƠN CẤU TỬ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Giản đồ pha 3D (P-V-T) hệ đơn cấu tử Giản đồ pha 2D (P-T) hệ đơn cấu tử 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM GIẢN ĐỒ PHA CỦA HỆ ĐƠN CẤU TỬ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 C: điểm tới hạn (Critical Point) tương ứng với áp suất nhiệt độ tới hạn Pc, Tc Dense Phase: Vùng trạng thái pha f m n o b Dense gas g d h uperheated vapor or S gas 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM VÍ DỤ: GIẢN ĐỒ PHA CỦA C2H6 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM GIẢN ĐỒ PHA CỦA HỆ ĐƠN CẤU TỬ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Vật chất vùng pha (dense phase) có tính chất vật lý (như thể tích riêng, khối lượng riêng, enthanpy, độ nhớt,…) trung gian chất khí lỏng Như vùng ta thay đổi thông số công nghệ để đưa chất trạng thái hai pha được, điều có nghĩa trình hóa lỏng phần hay toàn khí cấu tử phương pháp nén thực hạ nhiệt độ khí xuống nhiệt độ tới hạn 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 10 Các tính toán liên quan đến K Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Kiểm tra áp suất hội tụ  Thí dụ 4: Kiểm tra áp suất hội tụ tính toán thành phần khí- lỏng khỏi bình tách với hỗn hợp khí qua bình tách 3400kPa -30oC C1 C2 C3 nC4 nC5 Total C1 C2 C3 nC4 nC5 11/14/2013 otal T Moles Ni Ki or zi 0.8745 3.45 0.0586 0.46 0.0372 0.113 0.0212 0.034 0.0085 0.0095 L moles V moles 0.05328 0.05328 0.05328 0.05328 0.05328 0.94672 0.94672 0.94672 0.94672 0.94672 L+Vki xi=Ni/(L+Vki) yi=Ki*xi 3.319464 0.488771 0.160259 0.085469 0.062274 0.2634462 0.1198925 0.2321235 0.2480442 0.1364936 1.0000000 buble point 0.9088893 0.0551505 0.0262300 0.0084335 0.0012967 1.0000000 dew point Tci(k) Pci(kPa) Xi Mwi Mwi*xi xi*MWi*Pci 190.56 4599 0.263 0 305.41 4800 0.119 30.07 3.57833 17175.984 369.77 4240 0.232 44.097 10.2305 43377.33696 425.1 3784 0.25 58.123 14.53075 54984.358 469.65 3365 0.136 72.15 9.8124 33018.726 Trường Đại Tp HCM 148556.405 học Bách khoa 38.1520 xi*MWi*Tci 1092.857765 3782.933464 6177.021825 4608.39366 87 15661.20671 Các tính toán liên quan đến K Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Nhiệt độ trung bình khối: Ttbk=xiMWiTci / xiMWi = 15661/38,15 = 410oK = 137oC Áp suất trung bình khối: Ptbk=xiMWiPci / xiMWi = 148556/38,15 = 3893 = 564psi Xác định vị trí cấu tử giả nặng Ttbk = 137oC, Ptbk= 564psi, vẽ đường cong tới hạn hệ qua điểm định vị cấu tử giả nặng cấu tử nhẹ metane Từ nhiệt độ hệ T = 30oC gióng lên cắt đường cong tới hạn hệ cấu tử nhẹ - cấu tử giả nặng, gióng sang trục áp suất hội tụ có giá trị 1500 psia Do kết tính toán xác 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 88 GIẢN ĐỒ PHA CỦA HỆ ĐA CẤU TỬ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Công thức qui đổi nhiệt độ TOC = TOK.73,15 TOK = 1,8 TOK TOF = TOR – 459,67 TOC = 5/9(TOF - 32 ) 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 89 NHIỆT ĐỘ TỚI HẠN (Tc), ÁP SUẤT TỚI HẠN (Pc) Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Đối với hỗn hợp sau phân tích thành phần hỗn hợp người ta tính Tc, Pc sau: TC   TCi y i PC   Pci y i yi: phần mole cấu tử hỗn hợp 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 90 NHIỆT ĐỘ TỚI HẠN (Tc), ÁP SUẤT TỚI HẠN (Pc) Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Ví dụ: Tính toán thông số nhiệt độ tới hạn Tc, áp suất tới hạn Pc, khối lượng phân tử MW, hệ số không đồng (acentric) W theo công thức cho hỗn hợp sau: MW   wi yi TC   TCi y i Ta xây dụng bảng tính sau: 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 91 NHIỆT ĐỘ TỚI HẠN (Tc), ÁP SUẤT TỚI HẠN (Pc) Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Tci(k) Pci(kpa) yi MWi Mwi*yi Pci*yi Tci*yi wi yi*wi C1 190.56 4599 0.7 16.043 11.2301 3219.3 133.392 0.0104 0.00728 C2 305.41 4800 0.1 30.07 3.007 480 30.541 0.0979 0.00979 C3 369.77 4240 0.05 44.097 2.20485 212 18.4885 0.1522 0.00761 iC4 407.82 3640 0.03 58.123 1.74369 109.2 12.2346 0.1852 0.005556 nC4 425.1 3784 0.02 58.123 1.16246 75.68 8.502 0.1995 0.00399 iC5 460.35 3381 0.015 72.15 1.08225 50.715 6.90525 0.228 0.00342 nC5 469.65 3365 0.015 72.15 1.08225 50.475 7.04475 0.2514 0.003771 nC6 506.4 3030 0.01 86.117 0.86117 30.3 5.064 0.2994 0.002994 nC7 539.2 2740 0.01 100.204 1.00204 27.4 5.392 0.3494 0.003494 nC8 568.4 2490 0.01 114.132 1.14132 24.9 5.684 0.3977 0.003977 nC9 594.7 2280 0.01 128.258 1.28258 22.8 5.947 0.4445 0.004445 nC10 617.7 2100 0.01 142.258 1.42258 21 6.177 0.4898 0.004898 CO2 304.11 7374 0.01 44.01 0.4401 73.74 3.0411 0.2667 0.002667 H2S 373.37 8963 0.005 34.082 0.17041 44.815 1.86685 0.0948 0.000474 N2 126 3399 0.003 28.0134 0.08404 10.197 0.378 0.0372 0.0001116 H2O 647 22118 0.002 18 0.036 44.236 1.294 0.3443 0.0006886 27.9528 4496.758 251.9521 0.0651662 Mw Pc(kpa) Tc(k) W Total 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 92 CÂN BẰNG PHA LỎNG - KHÍ CỦA HỆ HYDROCABON Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Tính áp suất hội tụ Từ đường cong vẽ áp suất ban đầu hệ điểm gióng từ nhiệt độ qua đường cong áp suất hội tụ Sau so sánh áp suất hội tụ chọn tính toán sai khác khoảng 12% chấp nhận 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 93 CÂN BẰNG PHA LỎNG - KHÍ CỦA HỆ HYDROCABON Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Ứng dụng hệ số cân tính toán dòng khí qua bình tách sau: V tổng số moles khỏi bình zi phần mol cấu tử dòng khí vào bình tách yi phần mol cấu tử pha F tổng số moles khí vào bình L tổng số moles chất lỏng ngưng tụ 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 94 CÂN BẰNG PHA LỎNG - KHÍ CỦA HỆ HYDROCABON Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Phương trình cân vật chất: F.zi = V.yi + L.xi F = V + L , Ki = yi/xi Thay vào F.zi = V.yi + L.xi, yi =Ki.xi => F.zi = V.ki.xi + L.xi = xi.(L+V.ki) Để đơn giản ta xét F=1 xi = zi/( L+V.ki) Ta ý Σxi = Σzi/( L+V.ki) = phương trình zi biết, Ki tra theo P,T, ta cần thay L (từ đến 1) Σzi/( L+V.ki) = dòng khí vào bình tách ngưng tụ chất lỏng L = 0, V = toán xác định điều kiện dewpoint P,T hay dòng khí ngưng tụ hoàn toàn L = 1, V = toán xác định điều kiện bublepoint 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 95 BÀI TOÁN THÀNH PHẦN KHÍ KHI QUA BÌNH TÁCH KHÍ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Trước làm toán bạn phải chắn hỗn hợp vào bình phải trạng thái hai pha có phân chia lỏng khí Nếu Σkizi Σ(zi/ki) hai lớn dòng vào bình pha Σkizi : Dòng vào toàn lỏng Σkizi = 1: dòng vào bublepoint Σ(zi/ki) nhỏ dòng vào toàn khí, Σ(zi/ki) = 1dòng vào dewpoint Σkizi Σ(zi/ki) không đồng thời nhỏ 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 96 BÀI TOÁN THÀNH PHẦN KHÍ KHI QUA BÌNH TÁCH KHÍ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Cho P = 4140kpa, T = -30oC ta chọn L cho total cột G = cột H = hệ cân bằng, có P, T tra bảng ki (lưu ý KCO2 = (Kc1*Kc2)0.5) A B C D E F G H Moles Ni Ki L moles V moles L + Vki xi= Ni/(L+Vki) yi = Ki*xi C1 0.9010 3.7000 0.03 0.97 3.6189 0.2489710 0.9211926 CO2 0.0106 1.2300 0.03 0.97 1.2231 0.0086666 0.0106599 C2 0.0499 0.4100 0.03 0.97 0.4277 0.1166644 0.0478324 C3 0.0187 0.0820 0.03 0.97 0.1096 0.1706587 0.0139940 IC4 0.0065 0.0340 0.03 0.97 0.0630 0.1031463 0.0035070 NC4 0.0045 0.0230 0.03 0.97 0.0523 0.0859637 IC5 0.0017 0.0085 0.03 0.97 0.0383 0.0444058 0.0003774 NC5 0.0019 0.0058 0.03 0.97 0.0357 0.0532745 0.0003090 C6 0.0029 0.0014 0.03 0.97 0.0314 0.0923669 0.0001293 C7 0.0023 0.0003 0.03 0.97 0.0303 0.0758821 0.0000212 Total 1.0000000 1.0000000 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 0.0019772 97 BÀI TOÁN THÀNH PHẦN KHÍ KHI QUA BÌNH TÁCH KHÍ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Bài toán xác định nhiệt độ điểm sương P = 5500kpa (dòng khí sau qua bình tách trạng thái hoàn toàn V = 1, L = 0) Chọn T= 228oK thoả mãn A B C D E F G H Ni Ki L moles V moles L + Vki xi = Ni/(L+Vki) yi =Ki*xi T(K) C1 0.854 2.730 2.730 0.3128205 0.8540000 228 CO2 0.051 0.866 0.866 0.0588915 0.0510000 C2 0.063 0.275 0.275 0.2290909 0.0630000 C3 0.032 0.070 0.070 0.4571429 0.0320000 1.0579457 1.0000000 Total Cho P = 5500kpa T= ??? ta chọn L = trạng thái dewpoint cho total cột G = cột H = 1, có P, T tra Ki Kco2 = (Kc1*Kc2)0,5 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 98 BÀI TOÁN THÀNH PHẦN KHÍ KHI QUA BÌNH TÁCH KHÍ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Bài toán xác định nhiệt độ điểm sôi P = 1758kpa (dòng khí sau qua bình tách trạng thái lỏng hoàn toàn V = 0, L = 1) A B C D E F G H Moles Ni Ki L moles V moles L+Vki xi=Ni/(L+Vki) yi=Ki*xi C2 0.0208 2.45 1 0.0208 0.0510 C3 0.9582 0.98 1 0.9582 0.9390 IC4 0.0172 0.51 1 0.0172 0.0088 NC4 0.0038 0.395 1 0.0038 0.0015 Total 1.0000 1.0003 Tìm P = 1758 kpa T = 49oC ta chọn L = trạng thái bublepoint cho total cột H = 1và cột G = 1, có P, T tra Ki 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 99 ĐỒ THỊ TRA HỆ SỐ CÂN BẰNG CỦA CO2 ÁP SUẤT HỘI TỤ 1500 PSI Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 100 ĐỒ THỊ TRA HỆ SỐ NÉN Z CỦA KHÍ TỰ NHIÊN Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 101 [...]... hợp khí tự nhiên là một hình chiếu chỉ biểu thị phần khí – lỏng của biên dạng pha Cricondenbar: (điểm N) Cricondentherm: (điểm M) Vùng ngược: Các đường đặc trưng: là các đường biểu thị tỉ lệ không đổi của pha lỏng hoặc pha khí cắt nhau tại điểm tới hạn (C), song song với đường điểm bọt khí và đường điểm sương Đuờng điểm bọt khí biểu thị 0% pha khí và đường điểm sương biểu thị 100% pha khí 11/14/20 13. .. 11/14/20 13 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 30 Hiện tượng ngưng tụ ngược (Retrograde Phenomenal) Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 11/14/20 13 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 31 Hiện tượng ngưng tụ ngược Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Ở áp suất không đổi ta có thể gặp hiện tượng ngược (ngưng tụ hoặc bay hơi) đẳng áp (HÌNH 7b) 11/14/20 13 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 32 Ảnh... mặt phẳng hai pha như: BDHG: rắn + lỏng FGIJ: rắn + khí 01 bề mặt hình dạng đặc biệt HCI: lỏng + hơi 11/14/20 13 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 14 Giản đồ pha 3D (P-V-T) của hệ đơn cấu tử Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 11/14/20 13 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 15 Giản đồ pha 3D (P-V-T) của hệ đơn cấu tử Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Mặt chỉ có pha lỏng là mặt dốc... thành các bọt khí trong buồng chứa và một ranh giới giữa pha khí và pha lỏng Khi năng lượng tiếp tục đưa vào, mức chất lỏng sẽ giảm cho tới khi pha lỏng biến mất Không có thay đổi nhiệt độ nào sẽ xảy ra khi đi từ điểm “b”(pha lỏng bão hòa) tới điểm “d” (pha khí bão hòa) 11/14/20 13 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 23 Điểm tới hạn Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 11/14/20 13 Trường Đại học... Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Trong hỗn hợp hay dung dịch khí nhiều cấu tử, vùng tới hạn thường là một khoảng rộng các thông số và phụ thuộc vào thành phần khí Xét trạng thái đa cấu tử ở các hình sau: 11/14/20 13 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 11 GIẢN ĐỒ PHA CỦA HỆ ĐA CẤU TỬ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Giản đồ pha của hỗn hợp khí 11/14/20 13 Trường Đại học Bách khoa... vào thành phần cấu tử Temprature 11/14/20 13 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 13 Giản đồ pha 3D (P-V-T) của hệ đơn cấu tử Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Hệ đơn cấu tử gồm toàn bộ một loại nguyên tử hay phân tử nên chúng ta thường dùng từ tinh khiết “pure” để mô tả hệ đơn cấu tử như 100% Methane CH4 hay 100% propane C3H8 Giản đồ pha 3D (Hình 3) điển hình cho một chất tinh khiết có ba... Đối với các khí thiên nhiên gày, đặc trưng C7+ có ảnh hưởng đáng kể đến đường điểm sương, còn ảnh hưởng đến vị trí của các đường đặc trưng thì ít có ý nghĩa hơn 11/14/20 13 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 34 Ảnh hưởng của đặc trưng hóa C6+/C7+ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 11/14/20 13 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 35 Ảnh hưởng của tạp chất Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright... trạng thái khí bão hòa Ở nhiệt độ phía trên “d”, hệ là chất khí quá nhiệt 11/14/20 13 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 21 Giản đồ pha 2D P-T của hệ đơn cấu tử Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Hình chữ nhật “bfghd” minh họa thuộc tính pha quan trọng khác được xác định bằng thí nghiệm Giả sử: chất lỏng ở chế độ “b”  “f” (đẳng nhiệt): màu của nó sẽ bắt đầu mờ nhạt giống như một chất khí nhưng... Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 11/14/20 13 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 25 Ứng xử pha của hệ thống đa cấu tử Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Giản đồ pha P – T – X của hỗn hợp nhị phân C2-nC7 Giản đồ pha điển hình của hỗn hợp khí đa cấu tử Hiện tượng ngưng tụ ngược Ảnh hưởng của thành phần Ảnh hưởng của đặc trưng C7 Ảnh hưởng của tạp chất 11/14/20 13 Trường Đại học Bách... Dầu khí Copyright 2008 HC: đường bão hòa hoặc cân bằng pha khí- lỏng bắt đầu tại điểm 3 pha & kết thúc tại điểm tới hạn “C” Điểm tới hạn C (Tc và Pc) các tính chất của pha lỏng và pha khí trở thành đồng nhất điểm phía trên củng mà ở đó pha lỏng không thể tồn tại như là một pha riêng biệt duy nhất Phía trên Pc và Tc, hệ thường được xem như là chất lưu đậm đặc để phân biệt nó với chất lỏng và chất khí ... Pha khí: không tích hay hình dạng xác định Nó nén dễ dàng  hoạt động cao Chúng ta có nhiều pha rắn lỏng nhiều pha khí Trong công nghiệp khí may mắn thường cần khảo sát pha khí lỏng 11/14/20 13. .. điểm bọt khí đường điểm sương Đuờng điểm bọt khí biểu thị 0% pha khí đường điểm sương biểu thị 100% pha khí 11/14/20 13 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 28 Giản đồ pha 2D điển hình hỗn hợp khí đa... Cũng khí hình thành vỉa đạt tới áp suất điểm bọt khí cho dù khí hình thành giếng 11/14/20 13 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 42 Các kiểu vỉa Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Vỉa khí