Bài giảng công nghệ khí (ths hoàng trọng quang) chương 7

Bài giảng CÔNG NGHỆ KHÍ Chương 7: LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ GVGD: ThS Hoàng Trọng Quang GVTG: ThS Hà Quốc Việt Giới thiệu Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Sơ làm khô khí chất hấp phụ Làm khô khí chất hấp phụ Nguyên lý hấp phụ Phương pháp hấp phụ Cơ chế hấp phụ Diễn biến tháp hấp phụ Khả chất hấp phụ Thiết kế tháp hấp phụ Ví dụ minh họa 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Sơ chất hấp phụ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Hấp phụ mô tả quy trình xử lý ứng với phân tử từ khí giữ chặt bề mặt chất rắn tương tác bề mặt Sự hấp phụ phân thành hai loại: Những loại nhờ tính hoạt động chúng tới hấp phụ bề mặt tích tụ mao dẫn Những loại hoạt chất hóa học Những đặc tính cần cho chất hấp phụ: Diện tích bề mặt lớn cho hiệu suất cao Xử lý “tính hoặt động” thành phần di dời Tốc độ khối lượng chuyển đổi cao Dễ dàng tái sinh kinh tế Sức kháng nhỏ cho dòng khí Độ bền học cao… 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Sơ chất hấp phụ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Sơ chất hấp phụ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Khái niệm Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Bề mặt chất rắn có khuynh hướng hấp dẫn cấu tử pha khí pha lỏng bao quanh Các cấu tử thường giữ thành lớp, hay nhiều lớp, bề mặt chất rắn Như trình hấp phụ trình hút chọn lựa cấu tử pha khí hay pha lỏng lên bề mặt chất rắn Chất bị hút gọi chất bị hấp phụ, chất rắn xốp gọi chất hấp phụ Trong đa số trường hợp, chất hấp phụ rắn phải liên kết thuận nghịch với cấu tử bị hấp phụ để tái sử dụng chất hấp phụ 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Khái niệm Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Quá trình hấp phụ thực cách cho tiếp xúc pha không hòa tan pha rắn (chất hấp phụ) với pha khí hay lỏng Dùng chất (chất bị hấp phụ) từ pha khí (hoặc lỏng) đến pha rắn nồng độ dung chất phân bố hai pha đạt cân Hấp phụ khí hỗn hợp không khí đơn giản so với hấp phụ chất tan dung dịch Ở điều kiện bình thường hấp phụ chất khí hỗn hợp không khí không khí không bị hấp phụ Nhưng hấp phụ chất hòa tan dung dịch dung môi bị hấp phụ LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Phương pháp hấp phụ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Nguyên lý Để giải thích tượng hấp phụ người ta đưa nhiều thuyết hấp phụ, phổ biến thuyết hấp phụ hóa học Lăng-mua Dubinhin Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Lăng-mua Thuyết giải thích nguyên nhân hấp phụ phân tử hay nguyên tử bề mặt chất hấp phụ chưa bão hòa hóa trị,do lực hóa trị dư tạo lien kết hóa học, khoảng tác dụng lực không lớn đường kính phân tử, hấp phụ lớp Quá trình hấp phụ xảy điểm đặc biệt gọi tâm hấp phụ Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Dubinhin Thuyết giải thích tượng hấp phụ trường lực hấp phụ lớn 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Phương pháp hấp phụ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Nguyên lý (tt) Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Dubinhin (tt) Trên bề mặt chất hấp phụ có lớp chất bị hấp phụ mà có nhiều lớp, mật độ giảm dần tỷ lệ thuận với khoảng cách đến bề mặt chất hấp phụ Mỗi điểm lớp hấp phụ tương ứng với hấp phụ ε Thế hấp phụ công lực hấp phụ sinh chuyển dời phân tử chất bị hấp phụ từ chỗ lực hấp phụ tác dụng đến điểm biết cách bề mặt chất hấp phụ khoảg Vậy hấp phụ ε hàm số khoảng cách l: ε = f(1) Bề mặt gồm điểm có gọi mặt đẳng Trên bề mặt đẳng hấp phụ ε = thể tích giới hạn mặt đẳng với bề mặt chất hấp phụ thể tích cực đại W max 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Phân lọai chế Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Có nhiều chế hấp phụ như: hấp phụ trao đổi ion, hấp phụ kèm theo phản ứng hóa học, hấp phụ không kèm theo phản ứng hóa học Hấp phụ trao đổi ion hấp phụ có cực kèm theo trao đổi ion chất hấp phụ dung dịch Quá trình xảy hấp phụ chất tan dung dịch đường kính mao quản chất hấp phụ nhỏ Ao(5.10-8 cm) Hấp phụ có kèm theo phản ứng hóa học chất hấp phụ chất bị hấp phụ gọi hấp phụ hóa học Quá trình xảy môi trường không khí môi trường lỏng, đường kính mao quản chất hấp phụ lớn 200 A0 thường xảy nhiệt độ cao(>2000C) Nhiệt phát trình hấp phụ hóa học thường lớn cỡ nhiệt phản ứng Quá trình thường không thuận nghịch 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Khả hấp phu hữu ích sụt giảm theo thời gian Silica gel Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Khả chất hấp phụ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Khả hữu ích chất hấp phụ ước lượng sau: (x)(hB)= (xs)(hB)-0,45(xs)(hZ) Trong đó: x: Khả hữu ích tối đa chất hấp phụ (wt%) xs: Khả hấp phụ nước động trạng thái bão hoà (wt%) = 50~70%(Khả hấp phụ nước tĩnh) hZ: chiều dài MTZ hB: chiều dài cột hấp phụ 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Khả chất hấp phụ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Khả hữu ích (x) vài chất hấp phụ lấy sau: x (wt%) Nhôm hoạt tính 5~12 Silica gel 5~8 Molecular sieve (4A) 7~14 Đối với silica gel nhôm hoạt tính xs phụ thuộc vào nhiệt độ, đồ thị Xác định hệ số nhân hiệu chỉnh cho xs Đồ thị tra hệ số nhân hiệu chỉnh nhiệt độ cho khả hấp phụ nước động xs silicagel nhôm hoạt tính 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Khả chất hấp phụ Copyright 2008 Đối với molecular sieve nhiệt độ bé 70oC không cần phải hiệu chỉnh xs Chiều dài MTZ: chiều dài MTZ phụ thuộc thành phần khí, vận tốc khí, cỡ hạt hấp phụ, độ ẩm khí RH, độ cột hấp phụ Chiều dài MTZ ước lượng sau: Trong đó: q hz  (C ).0,115  , 2389 std 0,7895 W RH d 0, 4778 qstd lưu lượng khí W lượng nước bão hoà khí P,T RH độ ẩm tương đối khí D đường kính tháp hấp phụ P áp suất khí T nhiệt độ khí Z: hệ số nén khí 0,5249  P     Tz  0, 5506 106std m3/d kg % m kpa oK C hệ số tuỳ chất : silica gel C = 1; nhôm hoạt tính C = 0,8; molecular sieve C = 0,6 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Thiết kế tháp hấp phụ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Với hệ thống giản đơn gồm hai tháp nên áp dụng cho lưu lượng khí nhỏ 1,5 triệu m3 khí ngày, lưu lượng khí lớn dùng hệ thống 3~4 tháp Thời gian tái sinh tr thời gian hấp thụ liên hệ sau: tr = ta/(n-1) với n số tháp Như số tháp n phải phù hợp để đủ thời gian tái sinh Nếu khí bão hoà nước chu kì hấp thụ thường 8~16 giờ, khí làm khô glycol trước chu kỳ hấp thụ khoảng 24~30 Kích thước tháp liên quan đến vận tốc khí, sụt giảm áp suất cho phép 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Thiết kế tháp hấp phụ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Phương trình Ergun cho ta độ sụt giảm áp suất theo chiều dài sau: P/L = Bvg+C.g.vg2 Trong đó: P/L áp suất sụt giảm theo chiều khoảng 7~10 kpa/m] P không nên vượt 70kpa  độ nhớt khí vg vận tốc khí bề mặt g khối lượng riêng khí 11/14/2013 dài (kpa/m) [thường vào (cp) (m/s) (kg/m3) Trường Đại học Bách khoa Tp HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Thiết kế tháp hấp phụ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 B C tuỳ theo hình dáng kích cỡ hạt hấp thụ sau: 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Thiết kế tháp hấp phụ Copyright 2008 vg ước lượng sau: vg = A/g0,5 A = 67 (hạt cầu 1/8”) A = 48 (hạt cầu 1/16”) Đường kính tháp: d = (4qa//vg)0,5 qa lưu lượng thực tế áp suất nhiệt độ làm việc (m3/minus): qa = (qs/1440)(Ps/P)(T/Ts)z (m3/minus) Khi đường kính tháp có chiều cao cột hấp thụ tính sau: hB = 400mw/(xBd2) hB chiều cao cột hấp thụ mw khối lượng nước bị hấp thụ chu kì x khả hấp phụ hữu ích B khối lượng riêng chất hấp phụ d đường kính tháp 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM (m) (kg) (%) (kg/m3) (m) LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Thiết kế tháp hấp phụ Copyright 2008 Chiều cao tháp hấp phụ gồm chiều cao cột hấp phụ cộng với chiều dày thành phần ổn định khoảng không cần thiết (chiều cao thêm vào khoảng 1~1,5m) xem hình Tốt tỉ số hB/d khoảng 2,5~6 Cấu tạo tháp hấp phụ 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Bài tập Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Ví dụ 7.1: Tính sơ cho hệ thống làm khô khí Molecular Sieve cỡ hạt 1/8’’ Biết lưu lượng khí qS = 106std m3/d, P = 6000kPa; T = 30oC; z = 0,86;  = 0,65; µ = 0,014cp; W = 720kg/106 std m3/d Giả sử dùng hai tháp hấp thụ song song 12 cho chu kỳ thấp phụ 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Sơ đồ công nghệ minh họa cho cụm làm khô khí chất hấp phụ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Bài tập Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Bước 1: Tính độ nhớt riêng khí: Bước 2: Đường kính tháp: 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Bài tập Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Bước 3: Tính chiều cao tháp sử dụng x = 10% Lượng chu kỳ là: Ta có: hB/d = 4.5/1.2 = 3.8 đạt Độ sụt giảm áp: – Vậy: P = (6.6).(4.5) = 30kPa đạt Bước 4: Tính hiệu suất có ích chất hấp phụ, ta có: 0, 2389  qstd W 0,7895RH0,5249  P  hz  (C ).0,115   0, 4778 d   Tz  11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 0,5506 Bài tập Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Bước (tt) Giả sử khả hấp thụ nước động xs = 63% (Khả hấp phụ nước tĩnh), ta có: Khả hấp phụ nước tĩnh tra đồ thị = 22%  xs = 0,63  22 = 14% Tương đương với x giả sử 10 wt% kích thước tháp đạt yêu cầu làm việc 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM [...]... std 0 ,78 95 W RH d 0, 477 8 qstd lưu lượng khí W lượng nước bão hoà trong khí ở P,T RH độ ẩm tương đối của khí D đường kính tháp hấp phụ P áp suất khí T nhiệt độ khí Z: hệ số nén khí 0,5249  P     Tz  0, 5506 106std m3/d kg % m kpa oK C hệ số tuỳ từng chất : silica gel C = 1; nhôm hoạt tính C = 0,8; molecular sieve C = 0,6 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ... học Bách khoa Tp HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Sơ đồ công nghệ minh họa cho cụm làm khô khí bằng chất hấp phụ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Phân lọai cơ chế Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Với hệ thống... Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Ví dụ 7. 1: Tính sơ bộ cho hệ thống làm khô khí bằng Molecular Sieve cỡ hạt 1/8’’ Biết lưu lượng khí qS = 106std m3/d, P = 6000kPa; T = 30oC; z = 0,86;  = 0,65; µ = 0,014cp; W = 72 0kg/106 std m3/d Giả sử dùng hai tháp hấp thụ song song và 12 giờ cho một chu kỳ thấp phụ 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Sơ đồ công nghệ minh họa cho cụm làm khô khí bằng chất... đến vận tốc khí, sụt giảm áp suất cho phép 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Thiết kế tháp hấp phụ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Phương trình Ergun cho ta độ sụt giảm áp suất theo chiều dài như sau: P/L = Bvg+C.g.vg2 Trong đó: P/L áp suất sụt giảm theo chiều khoảng 7~ 10 kpa/m] P không nên vượt quá 70 kpa  độ nhớt khí vg vận tốc khí bề mặt... LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Khả năng của chất hấp phụ Copyright 2008 Đối với molecular sieve khi nhiệt độ bé hơn 70 oC thì không cần phải hiệu chỉnh xs Chiều dài MTZ: chiều dài MTZ phụ thuộc thành phần khí, vận tốc khí, cỡ hạt hấp phụ, độ ẩm khí RH, độ sạch của cột hấp phụ Chiều dài MTZ có thể ước lượng như sau: Trong đó: q hz  (C ).0,115  0 , 2389 std 0 ,78 95 W... zeolite thì nhiệt độ lên đến 316~ 370 oC 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Diễn biến trong tháp hấp phụ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Các vùng trong tháp hấp phụ 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Diễn biến trong tháp hấp phụ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Khi khí gas ẩm đi vào tháp thì tồn... Dầu khí Copyright 2008 Với hệ thống giản đơn chỉ gồm hai tháp chỉ nên áp dụng cho lưu lượng khí nhỏ dưới 1,5 triệu m3 khí ngày, khi lưu lượng khí lớn thì có thể dùng hệ thống 3~4 tháp Thời gian tái sinh tr và thời gian hấp thụ liên hệ như sau: tr = ta/(n-1) với n là số tháp Như vậy số tháp n phải phù hợp để đủ thời gian tái sinh Nếu khí bão hoà nước thì một chu kì hấp thụ thường là 8~16 giờ, nếu khí. .. họa cho cụm làm khô khí bằng chất hấp phụ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Bài tập Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Bước 1: Tính độ nhớt riêng của khí: Bước 2: Đường kính tháp: 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Bài tập Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Bước 3: Tính chiều cao của tháp sử dụng x = 10% Lượng... bề mặt g khối lượng riêng khí 11/14/2013 dài (kpa/m) [thường vào (cp) (m/s) (kg/m3) Trường Đại học Bách khoa Tp HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Thiết kế tháp hấp phụ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 B và C tuỳ theo hình dáng kích cỡ hạt hấp thụ như sau: 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Thiết kế tháp hấp phụ Copyright... Độ sụt giảm áp: – Vậy: P = (6.6).(4.5) = 30kPa đạt Bước 4: Tính hiệu suất có ích của chất hấp phụ, ta có: 0, 2389  qstd W 0 ,78 95RH0,5249  P  hz  (C ).0,115   0, 477 8 d   Tz  11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 0,5506 Bài tập Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Bước 4 (tt) Giả sử khả năng hấp thụ nước động xs = 63% (Khả năng hấp phụ nước tĩnh), ta có: Khả năng hấp phụ ... thành phần khí, vận tốc khí, cỡ hạt hấp phụ, độ ẩm khí RH, độ cột hấp phụ Chiều dài MTZ ước lượng sau: Trong đó: q hz  (C ).0,115  , 2389 std 0 ,78 95 W RH d 0, 477 8 qstd lưu lượng khí W lượng... thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Sơ đồ công nghệ minh họa cho cụm làm khô khí chất hấp phụ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 11/14/2013... 0, 477 8 qstd lưu lượng khí W lượng nước bão hoà khí P,T RH độ ẩm tương đối khí D đường kính tháp hấp phụ P áp suất khí T nhiệt độ khí Z: hệ số nén khí 0,5249  P     Tz  0, 5506 106std