Bài giảng công nghệ khí (ths hoàng trọng quang) chương 8

Bài giảng CÔNG NGHỆ KHÍ Chương 8: HỆ THỐNG LÀM LẠNH GVGD: ThS Hoàng Trọng Quang GVTG: ThS Hà Quốc Việt Hệ thống làm lạnh Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Một hệ thống làm lạnh làm giảm nhiệt độ chất lưu bên cách sử dụng khí nước điều kiện xung quanh Đặc trưng người ta thường dùng máy điều hòa không khí để làm mát không khí đến nhiệt độ 10 - 15oC Nhiệt độ sản sinh tùy vào mục tiêu trình Nếu mục tiêu để thu hồi chất lỏng (NGLs) mang tính thương mại từ dòng khí sản sinh kiểm soát kinh tế chuyên biệt hóa Nếu để tiếp xúc với đường điếm sương hydrocabon chuyên biệt thủ tục quy trình nhiệt độ trình 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Hệ thống làm lạnh Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Hệ thống lạnh cần thiết công nghệ dầu khí đây: Làm lạnh dòng khí việc chiết xuất NGL Làm lạnh dòng khí việc giám sát dewpoint Bảo quản sản phẩm LPG Hóa lỏng khí LNG 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Hệ thống làm lạnh Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Có nhiều trình sử dụng phần này: Làm lạnh học Máy nén khí Sự hấp thụ Sự giản nở van Sự giản nở Turbin 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Hệ thống làm lạnh Làm lạnh học Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Hệ thống làm lạnh máy bơm nhiệt (heat pump) Nhiệt độ “được bơm” từ nhiệt độ thấp đến nơi có nhiệt độ cao (môi trường xung quanh) Lượng lượng tùy vào chất lượng nhiệt bơm (chiller duty) nhiệt bơm bao xa (Sự khác nhiệt độ làm lạnh chiller ngưng tụ - condenser) Năng lượng dùng để làm lạnh dạng nhiệt hay công Các hệ thống làm lạnh hệ thống hấp thụ hệ thống bơm nhiệt, hệ thống máy nén khí sử dụng công 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Hệ thống làm lạnh Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Làm lạnh học – HT hấp thụ NH3 Copyright 2008 Bộ chỉnh lưu (Rectifier) Chất lỏng trap đổi nhiệt (chilled) Chất lưu NH3 Bình ngưng tụ Bình hấp thụ nước ẩm Bình chứa NH3 Hỗn hợp Nhiệt Thùng chứa nước ẩm mạnh Đáy Nước yếu Nước mạnh Nước mạnh Nước yếu Hình 8.1 Làm lạnh hệ thống hấp thụ amoniac 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Hệ thống làm lạnh Làm lạnh học – Máy nén khí Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Trong công nghệ dầu khí hệ thống lạnh sử dụng nhiều hệ thống có dùng máy nén khí hình 8.2 sau: Hình 8.2: Hệ thống làm lạnh đơn giản dùng máy nén xử lý dòng chảy chất lưu (process strean) B 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Hệ thống làm lạnh Tính toán hệ thống đơn giản Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Có nhiều bước qui mô hệ thống hình 8.2 tóm tắt sau: Xác định lưu lượng tuần hoàn lạnh (refrigerant circulation rate): Nếu xung quanh hệ thống có cân lượng ta có: Qchiller + mA.hA = mC.hc, mA = mC = m, (do có cân vật chất quanh điểm trên) Qchiller m hC  hD Trong đó: Qchiller: Chiller Duty (kJ.s) m: Lưu lượng tuần hoàn lạnh (kg/s) hA: Enthanpy chất lỏng bão hòa (kJ/kg) hC: Enthanpy bão hòa (kJ/kg) 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM (bộ trao đổi nhiệt) Hệ thống làm lạnh Tính toán hệ thống đơn giản Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Xác định công suất máy nén: Tính công lý thuyết (tính đẳng entropy) sử dụng hiệu suất để tìm công thực  m h isen D  hC -W  E  W Trong đó: W: công suất thực trình (kW) E: hiệu suất trình 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM Hệ thống máy nén Tính toán hệ thống đơn giản Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Tính Tải trọng bình ngưng tụ nhiệt (Condenser Heat Load, Qcond) Có hai cách để xác định Qcond, Qcond = W - Qchiller Qcond = m(hA – hD) Qcond A D (bình ngưng tụ) 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 10 Hệ thống làm lạnh Tính toán Expander Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Đối với đường động lực học lý thuyết Expander tuân theo đẳng Entropy Công lý thuyết tính từ đường đẳng entropy với công thực cách sử dụng hiệu suất Expander Đối với khí qua expander nhiệt độ giảm nhiều nên dòng khí thường dòng hai pha nên việc tính toán trở nên phức tạp Do người ta thường giải máy tính 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 16 Hệ thống làm lạnh Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Tính toán Expander Copyright 2008 Qui trình tính toán Expander Từ P1, T1, tính h1 s1 Vì đẳng entropy nên s2 = s1 Có s2, P2 tính T2, h2 = h2 isen Tính công sinh ra: W = m.hisenEisen = m(h2isen - h1) Eisen Tính lại h2act = h3 = h1 + (h2isen – h1) Eisen Có P2, h3 = h2act Tính T3 = Tact 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 17 Hệ thống làm lạnh Tính toán Expander Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Ví dụ: Một dòng khí 1x106 std m3/d, Mw = 16, qua Expander có P1 = 70bar, P2 = 20bar, T1 = 10oC, Eisen.Tính nhiệt độ đầu công sinh Tự giải 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 18 Hệ thống làm lạnh Ví dụ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Dùng đồ thị P-H cho propan tính lưu lượng propan tuần hoàn, công suất máy nén, công suất condenser, trình làm lạnh khí gas sau: TC = -25 hóa hoàn toàn, Qchiller = 3000kW 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 19 Hệ thống làm lạnh Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Ví dụ - Giải Copyright 2008 Trên đồ thị P-H propan ta điểm A (lỏng bão hoà 38oFC), áp suất accumulator 1300psi, hA = 0; TC = -25 hoá hoàn toàn nên Pc = 200psi, hc =250kj/kg Tỉ số nén: r = (PD/PC)0,5 = (1340/200) 0,5 = 2,59 Do đó: Py = r Pc = 200x2,59 = 517 psi + Tại E có Pe = Py = Pg = Pf = 517psi E nằm đường điểm sôi nên he = -110kj/kg + Tại B có hb = he = -110kj/kg (qua van h = const) Qchiller = 3000kW = mb(hc-hb) => mb = mc = me = 3000/(250 + 110) = 8,3kg/s 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 20 Hệ thống làm lạnh Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Ví dụ - Giải Copyright 2008 + Tại F có Pf = 517 psi nằm đường điểm sương hf = 280kj/kg + Qua economizer ta có: mk*hk = me*he + mf*hf => mf = 3,2 kg/s mk = me + mf = 3,2+8,3 = 11,5kg/s + Tại y trùng f nên hf = hy = 280kj/kg 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 21 Hệ thống làm lạnh Ví dụ - Giải Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Qua economizer ta có: mk*hk = me*he + mf*hf => mf = 3,2 kg/s => mk = me + mf = 3,2+8,3 = 11,5kg/s Tại y trùng f nên hf = hy = 280kj/kg E comp = 75% nên hy’ = hc + (hy - hc)/E = 250 + (280 -250)/0,75 = 290kj/kg Công suất máy nén cấp là: –W1 = mc(hy’-hc) = 8,3(290 - 250) = 332kW 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 22 Hệ thống làm lạnh Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Ví dụ - Giải Copyright 2008 Tại G ta có: my*hy’ + mf*hf = mg*hg => hg = (8,3x290+3,2x280)/11,5 = 287kj/kg Tại D có: hd = 345kj/kg , hd’ = hg + (hd - hg)/E = 287 + (345 - 287)/0.75 = 364kj/kg Công suất máy nén cấp là: –W2 = mg(hd’-hg) = 11,5(364 -287 = 885kW Tổng công suất hai máy nén khí: –W = 332 + 885 = 1217kW Công suất condenser: Qcond = W - Qchiller = -1217 - 3000 = - 4217kW 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 23 Hệ thống làm lạnh Ví dụ Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Dùng đồ thị P-H cho propan tính lưu lượng propan tuần hoàn , công suất máy nén, công suất condenser, trình làm lạnh khí gas sau: 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 24 Hệ thống làm lạnh Ví dụ - Giải Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Trên đồ thị P-H propan ta điểm A (lỏng bão hoà 100oF), áp suất accumulator 190psi, 100oF áp suất đầu máy nén (giả sử tổn hao đường ống bé) Tại điểm C: propan hoá hoàn toàn T= -20oF nên C nằm đường điểm sương có áp suất PC = PB = 25psi, hC = -692Btu/lbm Tại điểm B: Có hB = hA = -795 Btu/lbm PB = 25psi lưu ý Tc = Tb = -20oF thiết bị làm lạnh propan nhận nhiệt giãn nở đẳng nhiệt Qua máy nén sD = sC PD = 190 psi ta tìm điểm D Từ D qua A trình condenser 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 25 Hệ thống làm lạnh Ví dụ - Giải Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Lưu lượng tuần hoàn propan m = Qchiller /(hC - hB) = 1x106/(-692- (-795)) = 9709 lbm/h Công suất máy nén khí: –W = m(hD - hC) /E = 9709(-650 - -629) /0,8 = 200hp Công suất condenser Qcond = W - Qchiller = - 200x2545 – 106 = 1,51x106Btu/h 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 26 Hệ thống làm lạnh Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Một hệ thống làm lạnh thiết kế để làm lạnh dòng khí tự nhiên với mục đích chiết NGL Dữ liệu cho sau đây: Chiller duty Nhiệt độ tồn chiller Nhiệt độ không khí Hiệu suất máy nén lạnh: 2MW -15oC 35oC 75% Tính lưu lượng tuần hoàn lạnh, công suất máy nén, condenser duty cho hệ thống Sử dụng biểu đồ P-H Propan 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 27 Hệ thống làm lạnh Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Nhiệt độ chiller - 6oC nhiệt độ xử lý yêu cầu Sử dụng -20oC, Lưu ý từ hình 8.8 Áp suất chiller 240kPa Nhiệt độ condenser từ 14 – 16oC nhiệt độ không khí máy làm lạnh khí Dùng 50oC Tra từ đồ thị hình 8.8 ta áp suất condenser 1750kPa Điểm A chất lỏng bảo hòa 50oC, tra từ hình 8.8 ta hA = 33kJ/kg Điểm C bảo hòa -20oC, tra từ đồ thị hình 8.8 ta có hC = 250kJ/kg 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 28 Hệ thống làm lạnh Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Biểu đồ áp suất – Enthanpy Propan (hệ SI) 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM h = 33 29 Hệ thống làm lạnh Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 2008 Lưu lượng tuần hoàn lạnh: Công suất máy nén, W 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 30 [...]... Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Ví dụ 1 - Giải Copyright 20 08 Tại G ta có: my*hy’ + mf*hf = mg*hg => hg = (8, 3x290+3,2x 280 )/11,5 = 287 kj/kg Tại D có: hd = 345kj/kg , hd’ = hg + (hd - hg)/E = 287 + (345 - 287 )/0.75 = 364kj/kg Công suất máy nén cấp 2 là: –W2 = mg(hd’-hg) = 11,5(364 - 287 = 88 5kW Tổng công suất hai máy nén khí: –W = 332 + 88 5 = 1217kW Công suất condenser: Qcond = W - Qchiller = -1217 - 3000... 20 08 Nhiệt độ chiller là 3 - 6oC dưới nhiệt độ xử lý yêu cầu Sử dụng -20oC, Lưu ý từ hình 8. 8 Áp suất chiller là 240kPa Nhiệt độ condenser từ 14 – 16oC trên nhiệt độ không khí đối với máy làm lạnh khí Dùng 50oC Tra từ đồ thị hình 8. 8 ta được áp suất condenser là 1750kPa Điểm A là chất lỏng bảo hòa tại 50oC, tra từ hình 8. 8 ta được hA = 33kJ/kg Điểm C là hơi bảo hòa tại -20oC, tra từ đồ thị hình 8. 8... thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 20 08 Ví dụ: Một dòng khí 1x106 std m3/d, Mw = 16, qua Expander có P1 = 70bar, P2 = 20bar, T1 = 10oC, Eisen.Tính nhiệt độ đầu ra và công sinh ra Tự giải 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 18 Hệ thống làm lạnh Ví dụ 1 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 20 08 Dùng đồ thị P-H cho propan tính lưu lượng propan tuần hoàn, công suất máy nén, công suất condenser,... cánh thì khí sinh ra công làm quay các bánh từ đó làm quay trục Thường thì công sinh ra trên trục này sẽ dẫn động máy nén khí ly tâm, hoặc là máy phát điện Hiệu suất của expander là khá cao (Eisen = 85 %) Ứng dụng Expander được dùng trong công nghệ thu hồi NGL (C2+, C3+), hay tạo dewpoint thấp 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 14 Hệ thống làm lạnh Expander Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright... Địa chất – Dầu khí Copyright 20 08 Lưu lượng tuần hoàn của propan m = Qchiller /(hC - hB) = 1x106/(-692- (-795)) = 9709 lbm/h Công suất máy nén khí: –W = m(hD - hC) /E = 9709(-650 - -629) /0 ,8 = 200hp Công suất condenser Qcond = W - Qchiller = - 200x2545 – 106 = 1,51x106Btu/h 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 26 Hệ thống làm lạnh Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 20 08 Một hệ thống... Dầu khí Copyright 20 08 Qua economizer ta có: mk*hk = me*he + mf*hf => mf = 3,2 kg/s => mk = me + mf = 3,2 +8, 3 = 11,5kg/s Tại y trùng f nên hf = hy = 280 kj/kg E comp = 75% nên hy’ = hc + (hy - hc)/E = 250 + ( 280 -250)/0,75 = 290kj/kg Công suất máy nén cấp 1 là: –W1 = mc(hy’-hc) = 8, 3(290 - 250) = 332kW 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 22 Hệ thống làm lạnh Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí. .. Hệ thống làm lạnh Ví dụ 2 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 20 08 Dùng đồ thị P-H cho propan tính lưu lượng propan tuần hoàn , công suất máy nén, công suất condenser, của một quá trình làm lạnh khí gas như sau: 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 24 Hệ thống làm lạnh Ví dụ 2 - Giải Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 20 08 Trên đồ thị P-H của propan ta bắt đầu từ điểm A (lỏng... Copyright 20 08 : Mặt cắt tổ hợp của Expander và máy nén khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 15 Hệ thống làm lạnh Tính toán Expander Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 20 08 Đối với đường động lực học lý thuyết của Expander thì tuân theo đẳng Entropy Công lý thuyết được tính từ một đường đẳng entropy và đúng với công thực bằng cách sử dụng hiệu suất của một Expander Đối với khí đi qua... thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 20 08 Sơ đồ dùng Expander Expander Proccess for Hydrocarbon Dewpoint Control 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 12 Hệ thống làm lạnh Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 20 08 Để làm lạnh sâu hơn người ta dùng Expander 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 13 Hệ thống làm lạnh Expander Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Copyright 20 08 Khí đi vào expander... => mb = mc = me = 3000/(250 + 110) = 8, 3kg/s 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp HCM 20 Hệ thống làm lạnh Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Ví dụ 1 - Giải Copyright 20 08 + Tại F có Pf = 517 psi nằm trên đường điểm sương hf = 280 kj/kg + Qua economizer ta có: mk*hk = me*he + mf*hf => mf = 3,2 kg/s mk = me + mf = 3,2 +8, 3 = 11,5kg/s + Tại y trùng f nên hf = hy = 280 kj/kg 11/14/2013 Trường Đại học Bách ... 287 + (345 - 287 )/0.75 = 364kj/kg Công suất máy nén cấp là: –W2 = mg(hd’-hg) = 11,5(364 - 287 = 88 5kW Tổng công suất hai máy nén khí: –W = 332 + 88 5 = 1217kW Công suất condenser: Qcond = W - Qchiller... chất – Dầu khí Copyright 20 08 Hệ thống lạnh cần thiết công nghệ dầu khí đây: Làm lạnh dòng khí việc chiết xuất NGL Làm lạnh dòng khí việc giám sát dewpoint Bảo quản sản phẩm LPG Hóa lỏng khí LNG... chất – Dầu khí Ví dụ - Giải Copyright 20 08 Tại G ta có: my*hy’ + mf*hf = mg*hg => hg = (8, 3x290+3,2x 280 )/11,5 = 287 kj/kg Tại D có: hd = 345kj/kg , hd’ = hg + (hd - hg)/E = 287 + (345 - 287 )/0.75