Đây là một quá trình rất phức tạp.
- Với mao quản đờng kính lớn hơn quãng đờng tự do trung bình của phân tử diễn ra khuếch tán phân tử.
- Với mao quản nhỏ thì khuếch tán KnudSen chiếm u thế.
Cùng với quá trình trên còn có khuếch tán bề mặt, phân tử di chuyển theo bề mặt mao quản vào trong lòng viên giống nh chuyển đóng trong lớp màng (lớp giới hạn).
Nếu ta gọi Dr là hệ số khuếch tán tổng của ba cơ chế đó thì dòng chất bị hấp phụ đi vào mao quản là:
J = dm D .r c C F.dt r l ∂ ∆ = − ∼ ữ ∂ (I.32) Trong đó:
l - độ dài thật của một mao quản C
J ' Dr. l ∆
= − (I.33)
Nếu thay l bằng độ dài này của vật liệu xốp mao quản L, dòng trung bình trên toàn mặt sẽ là:
C J ' De L ∆ = − (I.34) Trong đó: De – Hệ số khuếch tán hiệu dụng. Nếu gọi độ xốp là ε thì: J = ε. Jp (I.35)
Với JP là dòng trong các mao quản.
Lợng chất chuyển từ vị trí này đến vị trí kia không đổi nếu cùng khoảng thời gian.
P J J ' L = l (I.36) C C De. Dr. L l .L l ∆ ∆ = ε (I.37) Mà 2 2 2 2 Dr Dr. De . .L Dr. l l T L ε ε = ε = = ữ (I.38) Với T2 = 2 l L ữ là chỉ số khúc khuỷu T2 phản ánh tính chất của chất hấp phụ.
I.4.7.3. Động học của quá trình hấp phụ.
Đây là bớc cuối cùng diễn ra do tơng tác của bề mặt và chất bị hấp phụ là các lực vật lí.
Độ mạnh tơng tác là khác nhau đối với các phân tử khác nhau, tạo nên một tập hợp bao gồm các phân tử nằm trên bề mặtvà nhiều lớp khác nhau gần sát bề mặt, nh màng chất lỏng tạo nên trở lực chủ yếu của giai đoạn này.
Tuy nhiên, trở lực của hai giai đoạn trớc thờng giữ vai trò kiểm soát. Trong điều kiện ổn định thì cân bằng vật chất trên bề mặt viên nh sau:
( ) b 0 b r r c C C De. r − ∂ β − = ∂ (I.39) rb – bán kính của viên. Biến đổi, nhân rb.
b 0 b b c .r (C C ) De. r r ∂ β − = ∂ ữ (I.40) 0 b b 0 C C .r 1 . De r C 1 r C ∂ ữ β = ∂ ữ − ữ (I.41) b .r De β = B. i
D: chuẩn số Bio trong chuyển khối.
Giá trị B. iD nói lên tơng quan giữa cấp khối và khuếch ttán trong kiểm soát tốc độ chung của quá trình.
Vì là quá trình toả nhiệt nên trên bề mặt viênta cũng có cân bằng nhiệt: α(Tb – T0) = λ. dt dr (I.42) 0 b b 0 b t t .r 1 . t r 1 t r ∂ ữ α = λ − ∂ ữ (I.43) Trong đó: b i .r B α
λ : Chuẩn số Bio trong nhiệt
Trong thiết bị hấp phụ, nhiệt đợc truyền ngợc chiều với dòng chất bị hấp phụ.
Vậy sự cấp nhiệt từ bề mặt viên qua mang khí khó khăn hơn sự cấp khối từ ngoài vào.
Chơng II: Công nghệ II.1. Các phơng pháp sấy khô khí.
II.1.1. Phơng pháp hấp thụ.
Hấp thụ là sự hút khí vào trong lòng các chất lỏng hoặc chất rắn, hiện tợng này xảy ra trong toàn bộ thể tích của chất hấp thụ. Hấp thụ có thể kèm theo tơng tác hoá học.
Phơng pháp hấp thụ đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp sấy khô khí tại các công trình ống dẫn khí cũng nh trong các nhà máy chế biến khí.
Chất hấp thụ thờng đợc sử dụng là các dung dịch nớc đậm đặc của mono etanolamin (MEA) dietylenglycol (DEG), trietylen glycol (TEG),
Phơng pháp tách hơi nớc và hạ nhiệt độ điểm sơng cho khí tự nhiên và khí đồng hành bằng các chất hấp thụ (DEG, TEG) là dựa vào sự khác biệt về áp suất riêng của hơi nớc trong khí và trong chất hấp thụ.
Tuy nhiên, các chất hấp thụ dùng để sấy khí phải đáp ứng đợc những yêu cầu sau:
- Có khả năng hấp thu hơi nớc trong khoảng rộng nồng độ, nhiệt độ áp suất.
- Có áp suất hơi bão hoà thấp để mất mát trong quá trình là thấp nhất. - Nhiệt độ sôi của chất hấp thụ phải khác xa với nhiệt độ sôi của nớc để có thể dễ dàng nhả hấp thụ và tái sinh chất hấp thụ.
- Các chất hấp thụ phải có độ nhớt thấp đảm bảo tiếp xúc tốt với hỗn hợp khí trong thiết bị hấp thụ.
- Các chất hấp thụ phải có độ chọn lọc cao đối với các cấu tử có mặt trong khí.
- Có tính ăn mòn kém.
- Có độ bền nhiệt và bền oxy hoá cao.
- Khả năng tạo bọt kém khi tiếp xúc với dòng khí. - Không độc hại, không gây ô nhiễm môi trờng.
- Giá thành rẻ.
Một số tính chất hoá lý quan trọng của các glycol (xem ở bảng I.4).
Bảng I.4. Một số tính chất hoá lý quang trọng của các glycol.
Các đại lợng hoá lý EG DEG TEG PG
Khối lợng phân tử 62,07 106,12 150,18 76,09 Tỷ trọng tơng đối 20 20 ρ 1,116 1,118 1,125 1,034 Nhiệt độ sôi ở 760 mmHg, 0C 197,3 244,8 278,3 188,2 Nhiệt độ nóng chảy, 0C -13 -8 -7,2 -60 Nhiệt độ bắt đầu phân huỷ, 0C - 164 206 - Nhiệt độ tái sinh,0C 165 164 206 - Độ nhớt ở 200c, CP 20,9 35,7 47,8 56,0 Nhiệt dung riêng, kJ/h.kg.K 2,35 2,09 2,20 2,47
II.1.2. Phơng pháp hấp phụ.
Hấp phụ là sự hút các chất khí hoặc chất tan trong dung dịch bởi bề mặt của một chất rắn hoặc chất lỏng bằng liên kết hoá học (hấp phụ hoá học) hoặc bằng lực Vander Waals (hấp phụ vật lý).
Phơng pháp hấp phụ cho phép đạt điểm sơng theo ẩm trong khoảng 100 ữ 2000c và sấy. Sâu khí đến điểm sơng – 85 ữ -1000C . Quá trình sấy không khí bằng các chất hấp phụ dựa vào khả năng của các vật thể rắn với cấu trúc xác định hấp phụ lợng ẩm từ khí ở nhiệt độ tơng đối thấp và sau đó tách ẩm khi tăng nhiệt độ. Trong phơng pháp này thì có hai quá trình đồng thời xảy ra.
Quá trình đầu tiên xảy ra sự hấp phụ còn sau đó là quá trình nhả hấp phụ. Sự kết hợp hai quá trình này trong một thiết bị cho phép tách ẩm (hơi n- ớc) một cách liên tục từ khí. Sự sấy khô khí là một quá trình vật lý và hiệu quả nó phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất.
Các chất hấp phụ thờng gặp và thông dụng vẫn là than hoạt tính, silicagen, oxit nhôm hoạt tính, boxit hoạt tính, zeolit 4A và 5A. Các tính chất của chất hấp phụ đợc sử dụng để sấy khí tự nhiên và khí đồng hành ( xem ở Bảng I.2)
Với phơng pháp hấp phụ này thì các chất hấp phụ phải đáp ứng đợc các yêu cầu nh.
- Các chất hấp phụ này phải có cấu trúc xốp. - Có các tâm axit.
- Dễ tạo viên - Chịu đợc nớc. - Dễ hoàn nguyên
- Không độc hại và gây ăn mòn. - Rẻ, dễ tìm.
II.1.3. Lựa chọn phơng pháp.
Hai phơng pháp hấp thụ và hấp phụ thờng đợc sử dụng rộng rãi vì sơ đồ thiết bị đơn giản, dễ tính toán thiết kế, dễ vận hành, giá thành thấp, ít tiêu hao tác nhân sấy khí, các chất hấp thụ và hấp phụ dễ chế tạo.
Với phơng pháp hấp thụ.
- Ưu điểm của phơng pháp này là độ hút ẩm cao, độ bền cao khi có mặt các hợp chất lu huỳnh, oxy và CO2 (DEG, TEG), dung dịch đậm đặc không bị đông đặc (DEG), khí tái sinh thu đợc dung dịch có nồng độ cao (TEG), có thể đồng thời vừa sấy khô vừa làm sạch khí và khả năng tạo màng thấp (MEA).
- Nhợc điểm của phơng pháp này lại là sự tiêu ha do thất thoát lớn (DEG, MEA), đòi hỏi chi phí đầu t cao (TEG, DEG), dễ gây ăn mòn kim loại ở nhiệt độ tái sinh và điểm sơng của khí thấp (MEA).
Với phơng pháp hấp phụ:
- Ưu điểm của phơng pháp này là có thể sấy khí khi cần với độ hạ điểm sơng tới 1000Cữ 1200C và khí sau khi sấy có điểm sơng rất thấp -850Cữ -1000C do đó việc tách hơi nớc trong khí tự nhiên và khí đồng hành triệt để hơn phơng pháp hấp thụ nhờ chất hấp phụ có bề mặt riêng lớn cùng với các tâm axit và độ bền cơ, bền nhiệt cao do đó quá trình rất đơn giản, thuận tiện.
Từ các u điểm này em lựa chọn phơng pháp sấy hấp phụ với chất hấp phụ là γ - Al2O3 do phơng pháp này phù hợp với đề tài và quan trọng hơn là
khí thu đợc sau khi sấy có điểm sơng rất thấp -850Cữ-1000C, độ giảm hàm l- ợng ẩm có trong khí cao.
II.2. Công nghệ sấy khí bằng phơng pháp hấp phụ
Hiện nay có hàng loạt sơ đồ công nghệ sấy hấp phụ khí với các chu kỳ tái sinh kín và hở. Trong các sơ đồ công nghệ này thì các quá trình hấp phụ có thể thực hiện gián đoạn trong thiết bị với lớp hấp phụ cố định hoặc liên tục với các thiết bị chứa các lớp hấp phụ chuyển động.
II.2.1. Công nghệ sấy với chu trình tái sinh kín.
a. Sơ đồ công nghệ.
Sơ đồ công nghệ sấy khí với chu trình tái sinh kín đợc trình bày trên hình (H.13)
Hình H.13. Sơ đồ công nghệ sấy khí với chu trình tái sinh kín
1. Thiết bị điều chỉnh lu lợng. I. Khí nguyên liệu 2. Tháp phân ly II. Khí đã sấy khô
3. Máy lạnh. III. Nớc
4. Tháp hấp phụ. 5. Tháp làm nguội 6. Thiết bị tái sinh 7. Thiết bị gia nhiệt
8. Thiết bị trao đổi nhiệt 9. Máy nén
b. Nguyên tắc hoạt động.
Khí ban đầu đem đi sấy (I) cho và tháp hấp phụ (4) tại đây dòng ẩm đi từ trên xuống dới. ở đây ta thu đợc khí đã sấy khô, một phần đợc lấy ra ngoài và một phần đợc đa vào đỉnh của thiết bị làm nguội (5). Khí đã làm nguội sau khi trao đổi nhiệt với khí đem tái sinh đợc trộn với khí khô ra ngoài. Khí tái sinh đợc tuần hoàn trong hệ tái sinh sau khi qua trao đổi nhiệt với khí làm nguội đợc đa đến thiết bị gia nhiệt (7) gia nhiệt đến nhiệt độ ái sinh cho vào đỉnh của thiết bị tái sinh (6).
Khí tái sinh ở đáy đợc làm lạnh và đa đến thiết bị phân lý (2) nớc đợc tách ra ở đáy ở đỉnh khí đợc máy nén (9) nén tuần hoàn trở lại.
II.2.2. Công nghệ sấy khí với chu trình tái sinh hở.
Với chu trình tái sinh hở ngời ta đã đa ra rất nhiều phơng án khác nhau cùng với các công nghệ.
Sau đây là một số phơng án hay đợc sử dụng nhất.
II.2.2.1. Phơng án 1.
a. Sơ đồ công nghệ.
Hình H.14. Sơ đồ công nghệ phơng án 1. 1. Thiết bị điều chỉnh lu lợng 2. Thiết bị phân ly 3. Máy lạnh 4. Tháp hấp phụ 5. Tháp tái sinh 6. Tháp làm nguội 7. Thiết bị gia nhiệt I. Khí nguyên liệu.
II. Khí đã sấy III. Nớc
b. Nguyên lý làm việc.
Khí nguyên liệu đợc đa vào tháp hấp phụ (4) với lu lợng đợc điều chỉnh nhờ thiết bị (1). Tại đây xảy ra quá trình hấp phụ khí ẩm đi từ trên xuống, ở đáy ta thu đợc khí đã sấy khô.
Một phần khí ẩm ban đầu qua thiết bị làm nguội (6), khí sau khi qua thiết bị làm nguội đợc đa qua thiết bị gia nhiệt (7) để gia nhiệt đến nhiệt độ tái sinh ( nhiệt độ này phụ thuộc vào bản chất hoá, lý của chất bị hấp phụ và chất giải hấp phụ) và cho vào đỉnh của thiết bị tái sinh (5). ở đây ta thu đợc khí tái sinh có chứa một lợng ẩm cho qua thiết bị làm lạnh (3) rồi đến thiết bị phân ly (2), tại đây nớc đợc ngng tụ và tách ra ở đáy ở đỉnh ta thu đợc khí khô lẫn ít nớc, đợc tuần hoàn trộn với khí ban đầu.
II.2.2.2. Phơng án 2. a. Sơ đồ công nghệ.
Hình H.15. Sơ đồ công nghệ phơng án 2. 1. Thiết bị điều chỉnh 2. Thiết bị phân ly 3. Thiết bị làm lạnh 4. Tháp hấp phụ 5. Tháp tái sinh 6. Tháp làm nguội 7. Thiết bị gia nhiệt 8. Thiết bị trao đổi nhiệt I. Khí nguyên liệu
II. Khí đã sấy III. Nớc
b. Nguyên tắc hoạt động.
Khi nguyên liệu đợc đa vào thiết bị hấp phụ (4) với lu lợng đợc điều chỉnh nhờ thiết bị (1).Tại đây quá trình hấp phụ xảy ra. Khí ẩm đi từ trên
xuống dới ở đáy ta thu đợc khí đã sấy khô, một phần khí ẩm sau khi qua thiết bị trao đổi nhiệt (8) đến thiết bị gia nhiệt (7) ở đây khí đợc gia nhiệt đến nhiệt độ tái sinh và đa vào đỉnh của thiết bị tái sinh (5), ở đáy là khí tái sinh chứa ẩm cho qua thiết bị phân ly (2) sau khi đã làm lạnh ở thiết bị làm lạnh (3) nớc đợc tách ra ở đáy (2). Khí khô ở đỉnh cho vào thiết bị làm nguội (6) khí đợc làm nguội trao đổi nhiệt với khí ẩm đem tái sinh rồi quay về trộn với khí ban đầu.
II.2.2.3. Phơng án 3.
a. Sơ đồ công nghệ của phơng án 3 đợc thể hiện trên hình (H.16)
Hình H.16: Sơ đồ công nghệ phơng án 3
1. Thiết bị điều chỉnh lu lợng 2. Thiết bị phân ly
3. Máy lạnh 4. Tháp hấp phụ
5. Tháp tái sinh 6. Tháp làm nguội 7. Thiết bị trao đổi nhiệt I. Khí nguyên liệu II. Khí đã sấy khô III. Nớc
b. Nguyên lý hoạt động.
Khí nguyên liệu đa vào tháp hấp phụ sấy khô (4) lu lợng đợc điều chỉnh nhờ thiết bị (1). Khí ẩm đi từ trên xuống, ở đáy của (4) ta thu đợc khí đã sấy khô, một phần lấy ra ngoài, phần còn lại cho qua thiết bị làm lạnh (6). Khí ở đáy sau khi trao đổi nhiệt với khí ban đầu trớc khi đi vào tái sinh đợc trộn với khí đã sấy và lấy ra ngoài.
Khí ẩm ban đầu sau khi trao đổi nhiệt đợc đa đến thiết bị gia nhiệt (7) gia nhiệt đến nhiệt độ tái sinh rồi cho vào đỉnh của thiết bị tái sinh (5), khí tái sinh ở đáy sau khi đợc làm lạnh đa đến thiết bị phân ly (2), ở đây nớc đợc tách ra ở đáy, khí ở đỉnh của thiết bị này đợc tuần hoàn trở lại trộn với khí ban đầu.
II.2.3. Chọn công nghệ tính toán thiết kế.
II.2.3.1. Lựa chọn công nghệ
Xét chu trình tái sinh hở nhả hấp phụ và làm lạnh bằng khí ẩm.
- Với công nghệ của phơng án 1, khí ẩm đi vào giai đoạn làm lạnh hấp phụ sau đó là giai đoạn nhả hấp phụ hơi nớc tái sinh chất hấp phụ.
Phơng án này có u điểm là tận dụng đợc nhiệt của khí tái sinh đi ra từ thiết bị hấp phụ làm lạnh để đốt nóng khí tái sinh nhng nó lại có nhợc điểm là quá trình sử dụng khí ẩm sẽ dẫn đến bão hoà một phần chất hấp phụ dẫn đến dung lợng của chất hấp phụ bị giảm xuống.
- Với công nghệ của phơng án 2, nhả hấp phụ hơi ẩm qua tái sinh rồi mới tới giai đoạn làm lạnh.
Phơng án này có u điểm là tận dụng đợc nhiệt của khí ở thiết bị làm nguội, nhiệt lạnh ở tháp phân ly.
- Với công nghệ của phơng án 3, làm lạnh bằng khí khó cho phép thu đợc khí có hàm ẩm thấp.Tuy nhiên nhợc điểm của phơng án này lại là sự tiêu hao khí tái sinh lớn.
Xét chu trình tái sinh kín:
- Với công nghệ của chu trình này ta thấy rằng quá trình tái sinh và hấp phụ làm nguội đều sử dụng khí có hàm ẩm thấp (khí khô - khí đã sấy) dẫn đến kết quả sấy có hiệu quả cao hơn nhng ngợc lại, chi phí đầu t và chi phí vận hành của phơng án này cao hơn so với phơng pháp tái sinh chu trình hở.
Từ các nhận xét về u nhợc điểm của các chu trình tái sinh kín và hở ở trên ta thấy rằng chu trình tái sinh kín có chi phí vận hành và chi phí đầu t