Nghiên cứu sản xuất khí hêli từ khí thiên nhiên

Bài viết này giới thiệu tóm tắt các phương pháp tách khí hêli hiện đang được áp dụng trên thế giới, phân tích ưu, nhược điểm của các phương pháp này, đồng thời giới thiệu, tính toán, thiết kế một hệ thống lạnh cryo để tách khí hêli từ khí thiên nhiên.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN 127 NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT KHÍ HÊLI TỪ KHÍ THIÊN NHIÊN RESEARCH ON HELIUM EXTRACTION FROM NATURAL GASES Phan Quí Trà Trường Cao đẳng Công nghệ - Đại học Đà Nẵng; pqtra@dct.udn.vn Tóm tắt - Bài báo giới thiệu tóm tắt phương pháp tách khí hêli áp dụng giới, phân tích ưu, nhược điểm phương pháp này, đồng thời giới thiệu, tính tốn, thiết kế hệ thống lạnh cryo để tách khí hêli từ khí thiên nhiên Các kết tính tốn cho thấy chu trình hệ thống lạnh cryo có hệ số làm lạnh (COP) cao (lên đến 39%) việc tách khí hêli, đồng thời chu trình cịn kết hợp để thu nitơ lỏng Trong chu trình lạnh cryo có sử dụng máy giãn nở, vậy, tận dụng cơng sinh giãn nở để cấp cho máy nén, góp phần tiết kiệm lượng, tăng COP tồn chu trình hệ thống bảo vệ môi trường Abstract - This paper shows a brief of methods of helium extraction being applied in the world, analyzes the advantages and disadvantages of these methods as well as introduces, calculates and designs a cryogenic refrigeration system to extract helium from natural gases Computational results show that the cryogenic refrigeration cycle has a high coefficient of performance (COP) (up to 39%) for the separation of helium, and the cycle is also combined to collect liquid nitrogen In this cryogenic refrigeration cycle, expansion machines are used, so it is possible to use the work produced from expansion to power the compressor, thus contributing to saving energy, increasing the COP of the whole cycle and protecting the environment Từ khóa - hêli; hệ thống lạnh cryo; khí thiên nhiên; khí hêli; kỹ thuật cryo; tách khí li Key words - helium; cryogenic refrigeration system; natural gases; helium gas; cryo technique; helium extraction Đặt vấn đề Trong thập niên gần đây, kỹ thuật lạnh cryo trọng nghiên cứu phát triển nước tiên tiến thuộc châu Âu hay Mỹ Các khí hóa lỏng dùng làm môi chất lạnh cryo để tạo nhiệt độ thấp như: nitơ, oxy, hydro, argon, nêon hêli, khơng thử nghiệm phịng thí nghiệm mà vào sản xuất công nghiệp, phục vụ nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học nhiều ngành công nghiệp quan trọng kỹ thuật siêu dẫn, vật lý nguyên tử, khoa học vũ trụ, sinh học, y học Trong bầu khí Trái Đất, nồng độ hêli theo thể tích có 5,2 phần triệu Hầu hết hêli Trái Đất kết phân rã phóng xạ Do có nhiều tính chất độc đáo bao gồm điểm sôi thấp, mật độ thấp, độ hịa tan thấp, khơng gây cháy, có độ dẫn nhiệt cao, trọng lượng phân tử nhẹ, kích thước phân tử nhỏ, khơng độc hại tính trơ, hêli sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực kỹ thuật như: lạnh cryo, hàn, luyện kim; lĩnh vực y tế như: máy chụp cộng hưởng từ MRI; lĩnh vực vật lý siêu dẫn; lĩnh vực vũ trụ… Hêli ứng dụng nhiều kỹ thuật đời sống, nhiên lại xem khí hiếm, việc sản suất khí hêli cịn khó khăn Ngồi ra, mỏ khí thiên nhiên có chứa nồng độ khí hêli cao dần cạn kiệt Vì vậy, việc sản suất khí hêli từ khí thiên nhiên có nồng độ hêli thấp điều tất yếu Nhưng hệ thống sản xuất riêng khí hêli hiệu đem lại thấp, vậy, việc sản xuất khí hêli kết hợp với sản xuất nitơ giải pháp tối ưu Do đó, hệ thống lạnh cryo tách khí li từ khí thiên nhiên đồng thời kết hợp sản xuất nitơ lỏng nghiên cứu phát triển [1, 2, 3] suất Hêli chiết tách khỏi dịng khí có độ gia nhiệt thấp (low BTU gas), sau khí hêli thơ đưa qua thiết bị tinh chế để đạt độ tinh khiết (lên đến 99%) Quá trình thu hồi hêli tách loại nitơ theo bước sau: (A) Làm mát, tiết lưu hóa lỏng phần lượng khí thiên nhiên cấp vào thành phần bao gồm mêtan, nitơ hêli; (B) Đưa đưa hỗn hợp lỏng khí thiên nhiên vào tháp chưng cất hoạt động áp suất dao động khoảng từ 250 đến 450 PSI; (C) Trong tháp chưng cất, tách mêtan lỏng hỗn hợp nitơ-hêli khỏi nhau; (D) Thu hồi nitơ-hêli từ tháp chưng cất; (E) Ngưng tụ phần hỗn hợp hêli-nitơ để sản xuất khí hêli thơ nitơ lỏng; (F) Gia nhiệt khí hêli thơ cách trao đổi nhiệt gián tiếp với khí làm mát; (G) Thanh lọc khí hêli thơ để sản xuất sản phẩm khí hêli tinh khiết khí thải có chứa hêli 2.2 Phương pháp khuếch tán hêli qua ống thuỷ tinh Pirex Phương pháp ứng dụng đặc tính thủy tinh Pyrex gần khơng thấm tất loại khí, trừ khí hêli Hêli khuếch tán thông qua Pyrex lớn khoảng 25 lần so với độ khuếch tán H2 thông qua Pyrex Người ta cho khí thiên nhiên qua ống thuỷ tinh Pyrex để tách khí hêli Tuy nhiên, phương pháp chưa thể áp dụng công nghiệp hạn chế sản lượng hêli thu 2.3 Phương pháp tách khí hêli từ khí thiên nhiên hệ thống lạnh cryo Phương pháp dựa vào nhiệt độ điểm sơi khác khí hỗn hợp khí thiên nhiên so với khí hêli mà ta tách khỏi hỗn hợp qua hệ thống lạnh cryo Trong phần tiếp theo, tác giả giới thiệu tính tốn hệ thống lạnh cryo để sản xuất khí hêli từ khí thiên nhiên Các phương pháp tách khí hêli 2.1 Phương pháp thu hồi hêli tích hợp với hệ thống loại bỏ nitơ kỹ thuật cryo Phương pháp Công ty BCCK (Mỹ) nghiên cứu triển khai Theo đó, ta kết hợp hệ thống thu hồi hêli với hệ thống loại nitơ kỹ thuật cryo để nâng cao hiệu 128 Phan Quí Trà Hệ thống lạnh cryo sản xuất khí hêli từ khí thiên nhiên 3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Hệ thống tách khí hêli từ khí thiên nhiên trình bày theo sơ đồ sau: Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống cryo sản xuất khí hêli từ khí thiên nhiên Dựa vào nhiệt độ điểm sơi khác khí hỗn hợp khí thiên nhiên so với khí hêli mà ta tách khí hêli Khí thiên nhiên sau dẫn vào máy nén nén lên đến áp suất 42 atm, sau qua trao đổi nhiệt sau khí CO2, khí H2S nước bị loại bỏ Phần lớn khí thiên nhiên ngưng tụ trao đổi nhiệt qua van tiết lưu giãn nở đến áp suất 18 atm Dòng mơi chất tiếp tục vào bình ngưng tụ bình tách khí hêli thơ (làm lạnh khí nitơ), thiết bị này, khoảng 98% khí thiên nhiên hóa lỏng Hơi từ bình tách khí hêli thơ có chứa 40% khí nitơ 60% khí hêli thể tích lượng nhỏ khí mêtan Hỗn hợp sau khỏi bình tách khí hêli thơ nâng lên đến nhiệt độ môi trường trao đổi nhiệt Thành phần lỏng tách bình ngưng tụ qua van tiết lưu giảm áp suất xuống qua trao đổi nhiệt 1, thiết bị trao đổi nhiệt khí thiên nhiên vào làm mát dòng lỏng Sản phẩm thải loại khí đốt tốt thành phần khơng cháy khí nitơ, khí hêli, khí CO2, khí H2S loại bỏ Hỗn hợp khí hêli thơ sau sưởi ấm trao đổi nhiệt máy nén hút nén lên đến áp suất 185 atm quay trở lại trao đổi nhiệt làm mát dịng khí hêli thơ Khí sau làm mát vào bình ngưng tụ-bay (được làm lạnh hệ thống lạnh cryo nitơ lỏng bổ sung), hầu hết khí nitơ dịng khí hêli thơ ngưng tụ khỏi hỗn hợp rơi xuống đáy bình ngưng tụ-bay Có khí hêli bị hòa tan nitơ lỏng ngưng tụ, dòng lỏng sau qua van tiết lưu giảm áp xuống đến 18 atm vào bình tách khí, bình tách lượng khí hêli bị hịa tan khí nitơ bay tách đưa trở lại ngưng tụ Lỏng nitơ sử dụng để cung cấp lạnh cho bình ngưng tụ [4, 5] Khí hêli sau khỏi bình ngưng tụ-bay có độ tinh khiết khoảng 98,5% 1,5% khí nitơ Độ tinh khiết cuối đạt đến 99,995% khí hêli qua bẫy than hoạt tính, thiết bị khí nitơ bị hấp thụ 3.2 Hệ thống hóa lỏng Claude sử dụng môi chất lạnh nitơ Sự làm lạnh cho hệ thống tách hêli cung cấp hệ thống hóa lỏng Claude sử dụng mơi chất lạnh khí nitơ Khí nitơ nén đến áp suất 42 atm, qua trao đổi nhiệt, giãn nở đến áp suất khí thơng qua máy giãn nở để cung cấp lạnh cho bình ngưng tụ Khí nitơ sau làm mát bình ngưng tụ máy nén hút qua thiết bị trao đổi nhiệt 4, làm nóng lên vào máy nén nén lên đến áp suất 42 atm, đẩy trở lại thiết bị trao đổi nhiệt để làm mát từ dịng khí ngược chiều, khỏi thiết bị trao đổi nhiệt 4, dịng khí chia làm hai dịng: Dịng thứ nhất, khoảng 80% khí vào máy giãn nở để giãn nở hợp lại với dịng khí nitơ từ bình ngưng tụ đến thiết bị trao đổi nhiệt để làm lạnh dòng vào trước tiết lưu, nhằm giảm tổn thất lạnh tiết lưu, tăng hiệu làm lạnh Dòng khí thứ hai, khoảng 20% vào thiết bị trao đổi nhiệt để làm lạnh qua van tiết lưu giảm áp suất, kết hợp với dịng lỏng từ thiết bị tách khí đến bình ngưng tụ cung cấp lạnh cho trình tách khí hêli Sau làm lạnh, để tách khí thành hơi, dịng hợp với dịng khí từ máy giãn nở vào bình ngưng tụ làm mát ngưng tụ khí thiên nhiên hút trở lại máy nén 3, lặp lại chu trình [6] 3.3 Tính tốn hệ thống tách khí hêli Sơ đồ hệ thống tách khí hêli (tách từ Hình 1) Hình Hình Sơ đồ hệ thống tách khí hêli từ khí thiên nhiên - Trạng thái điểm ban đầu hỗn hợp trước đưa vào nén máy nén trạng thái khí có nhiệt độ áp suất môi trường: T1 = 300 K, p1 = 1atm; thành phần thể tích: 52% mêtan, 40% nitơ, 8% hêli - Trạng thái điểm 2: Khí sau nén máy nén ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN đến áp suất p2 = 42 atm, nhiệt độ tăng lên T2, thành phần thể tích trạng thái 𝑝 𝑇2 = 𝑇1 ( 2) 𝑘−1 𝑘 𝑝1 = 710 𝐾 (1) [8] Ta sử dụng máy nén nhiều cấp có làm mát trung gian nên nhiệt độ hỗn hợp khí đầu giảm xuống T2’ = 320 K - Trạng thái điểm 3: Là trạng thái sau khỏi trao đổi nhiệt Sau khỏi trao đổi nhiệt này, hầu hết khí mêtan ngưng tụ nên nhiệt độ trạng thái hỗn hợp lấy nhỏ so với nhiệt độ ngưng tụ mêtan ứng với áp suất p3 = p2 = 42 atm, lấy T3 = 184 K - Trạng thái điểm 4: Là trạng thái sau tiết lưu qua van tiết lưu Áp suất sau tiết lưu hỗn hợp 18 atm Đây hỗn hợp chất khác nên thay đổi nhiệt độ chất sau trình tiết lưu khác nhau, nên ta tính nhiệt độ hỗn hợp sau trình tiết lưu từ 42 atm xuống 18 atm: + Lỏng mêtan sau trình tiết lưu từ áp suất 42 atm xuống 18 atm, nhiệt độ giảm từ 184 K xuống đến 162 K + Khí nitơ sau trình tiết lưu từ áp suất 42 atm xuống 18 atm, nhiệt độ giảm từ 184 K xuống đến 174 K + Khí hêli sau q trình tiết lưu từ áp suất 42 atm xuống 18 atm, nhiệt độ lại tăng từ 184 K lên 187 K Thành phần khối lượng chất có hỗn hợp tính theo cơng thức: 𝜇 𝑖 𝑟𝑖 𝑔𝑖 = ∑𝑛 𝑖=1 𝜇𝑖 𝑟𝑖 [2] Trong đó: gi thành phần khối lượng chất khí thành phần; ri thành phần thể tích chất khí thành phần; μi lượng chất tính kg chất khí thành phần, trị số phân tử lượng (kmol) Nhiệt độ hỗn hợp tính theo công thức: 𝑇= ∑𝑛 𝑖=1 𝑔𝑖 𝐶𝑝𝑖 𝑇𝑖 ∑𝑛 𝑖=1 𝑔𝑖 𝐶𝑝𝑖 [2] Trong đó: cpi nhiệt dung riêng đẳng áp chất khí thành phần (tra bảng); Ti nhiệt độ chất khí thành phần Thay đại lượng vào ta bảng tính tốn sau: - Trạng thái điểm 5: Là trạng thái hỗn hợp bình ngưng tụ 1, có áp suất 18 atm Trong thiết bị này, khí nitơ ngưng tụ nên nhiệt độ hỗn hợp có nhiệt độ nhiệt độ ngưng tụ nitơ áp suất 18 atm, T5 = 114 K, thành phần thể tích chất lỏng hỗn hợp sau: khí mêtan ngưng tụ gần hồn tồn thiết bị nên có thành phần thể tích 52% hỗn hợp khí ban đầu, khí nitơ ngưng tụ phần lớn phần nhỏ theo hỗn hợp khí hêli thơ, có thành phần gồm 40% khí nitơ 60% khí hêli (chính tồn 8% thể tích hỗn hợp ban đầu) thể tích khỏi bình ngưng tụ - Trạng thái điểm 6: Là trạng thái hỗn hợp lỏng gồm mêtan nitơ sau tiết lưu qua van tiết lưu 2, áp suất giảm từ 18 atm xuống atm, thành phần thể tích hỗn hợp 60% CH4, 40% N2 Vì hỗn hợp hai chất khác nhau, 129 thay đổi nhiệt độ chất sau trình tiết lưu khác nên tương tự trạng thái điểm ta tính nhiệt độ hỗn hợp sau trình tiết lưu từ 18 atm xuống atm: + Lỏng mêtan sau trình tiết lưu từ áp suất 18 atm xuống atm, nhiệt độ giảm từ 114 K xuống đến 110 K + Lỏng nitơ sau trình tiết lưu từ áp suất 18 atm xuống atm, nhiệt độ giảm từ 114 K xuống đến 77 K - Trạng thái điểm 7: Là trạng thái hỗn hợp lỏng 40% nitơ 60% mêtan khỏi trao đổi nhiệt 1, áp suất p7 = atm - Trạng thái điểm 8: Là trạng thái khỏi thiết bị ngưng tụ vào trao đổi nhiệt Là trạng thái hỗn hợp 40% khí nitơ 60% khí hêli thể tích; nhiệt độ hỗn hợp T8 = 120 K; áp suất p8 = 18 atm - Trạng thái điểm 9: Là trạng thái sau khỏi trao đổi nhiệt Đây trình trao đổi nhiệt đẳng áp nên thành phần áp suất hỗn hợp không đổi p = 18 atm Nhiệt độ hỗn hợp sau qua trao đổi nhiệt tăng lên đến nhiệt độ môi trường T = 300 K - Trạng thái điểm 10: Là trạng thái sau nén máy nén Áp suất hỗn hợp sau trình nén p10 = 185 atm; thành phần hỗn hợp không đổi 𝑇10 = 𝑇9 ( 𝑝10 𝑝9 ) 𝑘−1 𝑘 = 584𝐾 [8] Trong đó: k = 1,4 hỗn hợp khí có ngun tử trở lên - Trạng thái điểm 11: Là trạng thái sau nén máy nén qua trao đổi trao đổi nhiệt Áp suất hỗn hợp p11 = 185 atm; nhiệt độ giảm xuống T11 = 110 K; thành phần hỗn hợp không đổi - Trạng thái điểm 12: Là trạng thái khí hêli tách từ thiết bị ngưng tụ đến bẩy than hoạt tính Hêli tách có độ tinh khiết 98,5%, cịn 1,5% khí nitơ; nhiệt độ T12 = 90 K; áp suất 185 atm - Trạng thái điểm 13: Là trạng thái nitơ lỏng ngưng tụ hầu hết từ hỗn hợp hêli thô, với áp suất cao p13 = 185 atm ngưng tụ nitơ lỏng có nhiệt độ 77 K nên nitơ hỗn hợp chuyển trực tiếp từ trạng thái khí sang trạng thái lỏng mà không qua trạng thái bão hịa, nhằm tăng hiệu tách khí nitơ khỏi khí hêli Nhiệt độ T13 = 90 K; thành phần lỏng nitơ có lượng nhỏ khí hêli bị hấp thụ vào, khoảng 5% tổng lượng hêli vào bình ngưng tụ Ta tính thành phần hêli nitơ hỗn hợp trạng thái 13 cách quy thành phần phần trăm hỗn hợp vào bình ngưng tụ 2, thành phần lúc là: 60% hêli, 40% nitơ, lượng hêli hấp thụ vào lỏng nitơ 5% nên chiếm: 0,05x60% = 3% 60% hêli hỗn hợp ban đầu, cịn lại 57% 98,5% trạng thái điểm 1,5%𝑥57% 13, nitơ 1,5% chiếm: = 0,87% Nên 98,5% lượng nitơ ngưng tụ trạng thái điểm 13 chiếm: 40% - 0,87% = 39,13% so với hỗn hợp ban đầu Vậy thành phần hêli nitơ hỗn hợp trạng thái 13 là: + Hêli: 3%𝑥 100% = 7,12% 3%+39,13% 100% + Nitơ: 39,13%𝑥 3%+39,13% = 92,88% 130 Phan Quí Trà - Trạng thái điểm 14: Là trạng thái khí khỏi bẩy than hoạt tính, hêli có độ tinh khiết khoảng 99,995%; nhiệt độ T14 = 90 K; áp suất p14 = 185 atm - Trạng thái điểm 15: Là trạng thái khí hêli có độ tinh khiết 99,995% khỏi trao đổi nhiệt 2, áp suất trạng thái p15 = 185 atm - Trạng thái điểm 16: Là trạng thái sau khỏi van tiết lưu 3, nhiệt độ T 16 = 95 K, áp suất giảm đến p18 = 18 atm vào bình tách khí để tách khí hêli bị hấp thụ ra, sau lượng khí với lượng nhỏ nitơ bốc đưa vào bình ngưng tụ để tiếp tục tách khí hêli - Trạng thái điểm 17: Là trạng thái nitơ lỏng bình tách khí, áp suất p17 = 18 atm, nhiệt độ T17 = 95 K - Trạng thái điểm 18: Là trạng thái lỏng nitơ sau van tiết lưu 4, nhiệt độ T18 = 77 K, áp suất p18 = atm Từ phân tích tính tốn ta có bảng kết trạng thái điểm nút Bảng Bảng Bảng kết trạng thái điểm nút hệ thống tách khí hêli Thành phần (%) Áp suất (atm) Nhiệt độ (K) Mêtan Nitơ Hêli 1 300 52 40 42 320 52 40 42 184 52 40 18 166 52 40 18 114 60 40 - 96 60 40 - 210 60 40 - 18 120 - 40 60 18 300 - 40 60 10 185 320 - 40 60 11 185 110 - 40 60 12 185 90 - 1,5 98,5 13 185 90 - 92,88 7,12 14 185 90 - - 99,995 15 185 151 - - 99,995 16 18 85 - 92,88 7,12 17 18 95 - 100 - 18 77 - 100 - Điểm 3.4 Tính tốn hệ thống hố lỏng Claude sử dụng môi chất nitơ Sơ đồ hệ thống lạnh cryo theo chu trình Claude sử dụng mơi chất nitơ (tách từ Hình 1) Hình Ta có trạng thái điểm nút sau: - Trạng thái điểm 1’: Là trạng thái điểm vào máy nén có áp suất p1’ = atm, nhiệt độ nhiệt độ môi trường T1’ = 300 K - Trạng thái điểm 2’: Là trạng thái sau khỏi máy nén 3, nén tăng đến áp suất p2’ = 42 atm, thành phần thể tích trạng thái 1’ 𝑇2′ = 𝑇1′ ( 𝑝2′ 𝑝1′ ) 𝑘−1 𝑘 = 873𝐾 [8] Trong đó: k = 1,4 hỗn hợp khí có ngun tử trở lên Tương tự, máy nén làm mát nên nhiệt độ khỏi máy nén gần với nhiệt độ đầu vào T2’ = 320 K - Trạng thái điểm 3’: Là trạng thái sau trao đổi nhiệt trao đổi nhiệt 4, nhiệt độ giảm xuống cịn T3’ = 250 K, q trình trao đổi nhiệt đẳng áp nên p3’ = 42 atm - Trạng thái điểm 4’: Là trạng thái sau trao đổi nhiệt trao đổi nhiệt để vào van tiết lưu 5, nhiệt độ giảm xuống đến T4’ = 130 K, áp suất không đổi p4’ = 42 atm, khối lượng trạng thái có 20% khối lượng ban đầu - Trạng thái điểm 5’: Là trạng thái sau tiết lưu van tiết lưu 5, nhiệt độ giảm xuống đến T5’ = 77 K, áp suất sau trình tiết lưu p5’ = atm - Trạng thái điểm 7’: Là trạng thái sau làm lạnh hóa lỏng nitơ hỗn hợp khí hêli - nitơ, nhiệt độ T7’ = 77 K, áp suất p7’ = atm - Trạng thái điểm 8’: Là trạng thái sau khỏi máy giãn nở, nhiệt độ giảm xuống đến T 8’ = 87 K, áp suất sau giãn nở p8’ = atm Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh cryo sử dụng môi chất nitơ Dựa vào phương trình cân nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt điểm hoà trộn, ta có bảng trạng thái điểm nút Bảng Bảng Trạng thái điểm nút chu trình lạnh Claude sử dụng mơi chất nitơ Điểm Nhiệt độ (K) Áp suất (atm) Trạng thái 1’ 2’ 300 thấp áp 320 42 cao áp 3’ 250 42 cao áp 4’ 130 42 cao áp 5’ 77 hạ áp ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN 6’ 77 lỏng thấp áp 7’ 77 thấp áp 8’ 87 thấp áp 9’ 85 thấp áp 10’ 109 thấp áp 11’ 228 thấp áp 12’ 297 thấp áp 3.5 COP tồn hệ thống sản xuất khí hêli COP hệ thống tính theo cơng thức: ∑ 𝑄𝑖 𝐶𝑂𝑃 = ∑ 𝑙𝑖 Do chu trình có sử dụng máy giãn nở, công máy giãn nở sinh sử dụng để truyền động máy nén nên cơng nén chu trình tính sau: ∑ 𝑙𝑖 = 𝑙1 + 𝑙2 + 𝑙3 − 𝑙4 Nhiệt lượng hữu ích thu tồn chu trình tính: ∑ 𝑄𝑖 = 𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3 + 𝑄4 Tính tốn giá trị công nhiệt đồng thời thay vào công thức ta có COP = 39% Kết luận Hiện nay, nhu cầu sử dụng khí hêli giới ngày tăng nhiều ứng dụng hữu ích hêli, vậy, việc nghiên cứu chu trình sản xuất khí hêli có hiệu suất cao cần thiết Trữ lượng mỏ khí thiên nhiên giàu hêli ngày giảm Vì vậy, việc khai thác khí thiên nhiên có nồng độ hêli thấp điều tất yếu Do chu trình sản xuất khí hêli từ khí thiên nhiên trình bày báo giải pháp cho vấn đề 131 Qua tính tốn chu trình ta có COP = 39% Ngồi ra, chu trình cịn có ưu điểm sau: + Do kết hợp thu nitơ lỏng nên hiệu chu trình nâng lên đáng kể; + Chu trình sử dụng van tiết lưu máy giãn nở, trình giãn nỡ làm lạnh khí tốt cơng sinh tham gia truyền động máy nén tiết kiệm lượng cung cấp từ bên Đây yếu tố nâng cao hệ số làm lạnh chu trình Nhược điểm: + Sử dụng máy giãn nở nhiều thiết bị hồi nhiệt nên hệ thống phức tạp, khó khăn điều khiển tự động; + Các thiết bị hệ thống phải làm việc điều kiện áp suất cao; + Vận hành quản lý hệ thống phức tạp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.J Reyzewski, Refrigeranttion, cryogenics, optics and miscellaneous, Engineering department, I.I.du pont de Nemours  Co Inc., McGraw-Hill, 1996 [2] Arthur J Kidnay, William R Parrish, Fundamentals of Natural Gas Processing, Taylor and Francis Group, LLC New York, 2006 [3] E.W Lemon, Thermophysical properties of fluids and materials, NIST Chemistry WebBook, 2009 [4] Frank G Kerry, Industrial Gas Handbook Gas Separation and Purification, Taylor & Francis Group, LLC New York, 2006 [5] Isidoro Martinez, Heat exchangers, Academic website 1995-2017 by Isidoro Martinez, pp 9-12 [6] J.-M Reneaume, N Niclout, “MINLP Optimization of Plate fin Heat Exchangers”, Chem Biochem Eng., Q 17 (1), 2003, pp 65-76 [7] Randall Barron, Cryogenic Systems, McGraw-Hill Inc., 1996 [8] Phạm Lê Dần, Bùi Hải, Nhiệt động kỹ thuật, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2000, pp 24-50 [9] Nguyễn Thị Minh Hiền, Công nghệ chế biến khí tự nhiên khí đồng hành, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2002 (BBT nhận bài: 05/10/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 24/10/2017) ... sản xuất khí hêli từ khí thiên nhiên 3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Hệ thống tách khí hêli từ khí thiên nhiên trình bày theo sơ đồ sau: Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống cryo sản xuất khí hêli từ khí. .. hệ thống cryo sản xuất khí hêli từ khí thiên nhiên Dựa vào nhiệt độ điểm sơi khác khí hỗn hợp khí thiên nhiên so với khí hêli mà ta tách khí hêli Khí thiên nhiên sau dẫn vào máy nén nén lên đến... lạnh khí nitơ), thiết bị này, khoảng 98% khí thiên nhiên hóa lỏng Hơi từ bình tách khí hêli thơ có chứa 40% khí nitơ 60% khí hêli thể tích lượng nhỏ khí mêtan Hỗn hợp sau khỏi bình tách khí hêli