theo biểu thức: 2 k p 2 p 2.f. .H.v P d .g. ρ ∆ = ε (II.11) Trong đó: f - Hệ số ma sát
ρk - Khối lợng riêng của khí, kg/m3
vp - Vận tốc tuyến tính, m/s g - Gia tốc trọng lực, m/s2 ε - độ rỗng, m3/m3 chất hấp phụ. Với ε = 39 (m3/m3) ; dp = 4(mm) = 0,004 (m) g = 9,81 (m/s2) ; ρk = 48,23 (kg/m3) vp = 10,93 (m/s)
và hệ số ma sát f đợc xác định nh hàm của chuẩn số Reynolds theo hình (H.22).
1 p k e v .d . R . .g ρ = ε à (II.12) Trong đó:
à - Độ nhớt tuyệt đối của khí. Theo Sổ tay quá trình và công nghệ hoá học thì
2 1 1 1 th1 2 2 2 th2 h 1 1 th1 2 2 th2 m . . M .T m . . M .T ... m . M .T m . M .T ... à + à + à = + + m1, m2 - Nồng độ của các cấu tử. à1, à2 - Độ nhớt của các cấu tử. Tth1, Tth2 - Nhiệt độ tới hạn. Tra bảng và tính đợc: 2 3 h 0, 01985.10− à = (Ns/m2) Thay vào (II.12) ta có:
3 e 3 10,93.4.10 .48,23 R 39.0, 01985.10 .9,81 − − = = 278 Từ hình (H.22) ta tìm đợc hệ số ma sát f = 5. Thay các giá trị vào (II.11) ta có:
2 3 2 2.5.48,23.5,2.10,93 P 4.10 .9,81.39− ∆ = = 5020 (kg/cm2) = 49,2 (KPa)
Hình H.22. Sự phụ thuộc hệ số ma sát dòng khí trong lớp hấp phụ với số Reynold.
II.3. Tính toán qúa trình tái sinh chất hấp phụ trong qúa trình sấy.
Ta sử dụng kết quả thu đợc khi tính giá trị hấp phụ để tính chu kỳ tái sinh. Quy trình cơ bản tính toán công nghệ tái sinh gồm việc xác định tải nhiệt trung bình tối u cần thiết để tách nớc từ lớp chất hấp phụ.
Tổng nhiệt lợng cần thiết bao gồm nhiệt tiêu hao cho việc đun nóng chất hấp phụ, thiết bị, nớc đến nhiệt độ sôi, cho bay hơi nớc và các hydrocacbon bị hấp phụ.
1. Nhiệt Q1 cần thiết để đun γ - Al2O3 đợc xác định theo biểu thức:
Q1 = G1C1 (T4 - T1) (II.12) Trong đó:
G1 - Khối lợng chất hấp phụ, kg.
T4 - Nhiệt độ khi tái sinh ở đầu ra khỏi lớp chất hút nớc tái sinh ở cuối chu kỳ đun, 0C. Thờng giá trị đầu tiên của nhiệt độ tái sinh đợc chọn trong khoảng 0,3 ữ 0,5T (với T là nhiệt độ tái sinh ở đầu ra khỏi lò).
Số Reynolds Re 0,1 10 100 1000 1000 100 10 1,0 Hệ s ố ma s át
T1 - nhiệt độ quá trình hấp phụ, 0C.
C1 - Nhiệt dung riêng chất hút nớc tái sinh, C1 = 0,24.
+ Nhiệt độ tái sinh của γ - Al2O3 nằm trong khoảng 177 ữ 3150C nên ta chọn T4 = 2500C.
+ Khả năng hấp phụ nớc của γ - Al2O3 từ 4 ữ 7 kg/100kg chất hấp phụ. + Quá trình hấp phụ là quá trình vật lí kèm theo sự toả nhiệt, và quá trình này thực hiện ở nhiệt độ T1 = 400C.
Khi này ta có khối lợng chất hấp phụ: G1 = 100. 100
8 = 1250 (kg) Thay các giá trị vào (II.12) ta có:
Q1 = 1250 . 0,24 (250 - 40) = 63000 (KJ/h)
2. Nhiệt Q2 cần để đun nóng thiết bị đợc xác định theo biểu thức:
Q2 = G2C2 (T4 - T1) (II.13) Trong đó:
G2 - Khối thiết bị và phụ tùng trực tiếp nối với các ống thiết bị. C2 - Nhiệt dung riêng của vật liệu kết cấu chế tạo thiết bị. Ta chọn thép CT3 làm tháp, khi này ta có.
C2 = 0,5 . 103 (KJ/kg0C). + Chiều cao của tháp.
Ht = H + 2 = 5,2 + 2 = 7,2 (m) Mặt khác: 2 ( ) 2 2 n t t VO 3,14 G D D .H. 4 = − ρ (II.14) Trong đó:
ρt - Khối lợng riêng của thép CT3 , ρ = 7850 (kg/m3). Dn, Dt - đờng kính ngoài và đờng kính trong của tháp - Chọn chiều dày tháp δ = 5 (mm)
( ) 2 2 2 VO 3,14 G 2,61 2,6 4 = − . 7,2 . 7850 = 2311,6 (kg) Khi này: G2 = 1,01 . GVO2 = 1,01 . 2311,6 = 2334,72 (kg) Thay các giá trị trên vào (II.13)
Q2 = 2334,72 . 0,5 . 103 . (254 - 40) = 245145,6 (kJ/h)
3. Nhiệt Q3 cần để đun nóng nớc đến nhiệt độ sôi đợc xác định theo biểu thức: Q3 = 2 H O G C1 (T2 - T1) (II.15) Trong đó: 2 H O
G - Khối lợng nớc đợc hấp phụ bởi chất hấp phụ trong chu trình hấp phụ.
T2 - Nhiệt độ sôi của nớc, T2 = 1000C. C1 - Nhiệt dung riêng của nớc.
C1 = 4,189 (KJ/kg0C) Thay số vào (II.5) ta có:
Q3 = 90 . 4,189 (100 - 40) = 22620,6 (kJ/h)
4. Nhiệt Q4 cần để bay hơi nớc:
Q4 = 2 H O G . 2 H O q (II.16) Trong đó: 2 H O
q - Nhiệt bay hơi nớc,
2
H O
q = 2260 . 103 (J/kg) Thay vào (II.16) ta có:
5. Nhiệt Q5 cần để bay hơi các hydro cacbon đợc hấp phụ trong quá trình hấp phụ:
Do nhiệt cần để bay hơi các hydrocacbon đợc hấp phụ trong quá trình hấp phụ bằng 20% nhiệt cần để bay hơi nớc nên ta có:
Q5 = 0,2 . Q4. (II.17)
= 0,2 . 203400 = 40680 (kJ/h)
6. Tổng nhiệt lợng cần cung cấp cho quá trình tái sinh:
Q = 1,05 (Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5) (II.18) = 1,05 . 574846,2 = 603588,51 (hJ/h)
7. Lợng nhiệt mất mát ra môi trờng:
Lợng nhiệt mất mát ra môi trờng bằng 5% tổng nhiệt lợng cần cung cấp cho quá trình tái sinh, khi này ta có:
Qm = 0,05 . Q
= 0,05 . 603588,51 = 30179,43 (KJ/H)
8. Lợng nhiệt riêng ( )Qr H O2 cần để giải hấp 1 đơn vị khối lợng nớc hấp phụ: 2 2 rH O H O Q Q G = (II.20) Hay: 2 rH O 603588,51 Q 90 = = 6706,539 (kJ/kgH2O)
9. Xác định khối lợng khí tái sinh:
Q = GK . CK (Tts - T1) (II.21) Trong đó:
GK - Khối lợng khí đem tái sinh.
CK - Nhiệt dung riêng trung bình của hỗn hợp khí. + Tính GK:
Tra sổ tay quá trình và công nghệ hoá học ta tìm đợc: CK = 2,455 (KJ/kg0C)
( ) K K ts 1 Q G C T T = − (II.22) = 603588,51 2, 455(250 40)− = 1170,77 (kg) 10. Thể tích khí tái sinh: Vts = K K G ρ (II.23) Hay Vts = 1170,77 48,23 = 24,275 (m 3)
Kết luận
Sau thời gian nghiên cứu và tính toán thiết kế công nghệ sấy khí đồng hành của mỏ Bạch Hổ bằng γ - Al2O3 cùng với sự giúp đỡ hớng dẫn tận tình của PGS. TS. Nguyễn Thị Minh Hiền em đã thu đợc kết quả sau:
- Lựa chọn đợc sơ đồ công nghệ sấy khí bằng phơng pháp hấp phụ với chu trình tái sinh hở, năng suất là 5.106 m3 khí/ngày đêm
- Lựa chọn đợc chất hấp phụ là γ - Al2O3.
- Xác định đợc đờng kính tháp hấp phụ là D = 2,6 (m) và chiều cao tháp là Ht = 7,2 (m).
- Xác định đợc khối lợng nớc tách từ khí trong chu kỳ hấp phụ là
2
H O
G = 90 (kg/ chu kỳ).
- Xác định đợc vận tốc tuyến tính của khí trong tiết diện tự do của tháp hấp phụ ở điều kiện làm việc là v1 = 10,93 (m/s).
- Xác định đợc tải trọng riêng của lớp nớc là q = 2,2 (kg/h.m2).
- Xác định đợc chiều cao lớp hấp phụ là 5,2 (m) và thời gian hoạt động của lớp cho đến khi có ẩm xuyên qua là τ1 = 8 (h).
- Xác định đợc tổn thất khi khí chuyển động qua lớp hạt chất hấp phụ. - Xác định đợc chu kỳ taisinh là 8 (h) và thể tích khí tái sinh là Vts=24,275 (m3).
- Xác định đợc nhiệt tiêu hao cho việc đun nóng γ - Al2O3 là Q1 = 63000 (kJ/h), thiết bị là Q2 = 245145,6 (kJ/h), nớc đến nhiệt độ sôi là Q3 = 22620,6 (kJ/h), cho bay hơi nớc là Q4 = 203400 (kJ/h) và cho bay hơi các hydrocacbon là Q5 = 4068 (kJ/h).
- Xác định đợc tổng nhiệt lợng cần cung cấp cho quá trình tái sinh là Q =603588,51 (kJ/h) và lợng nhiệt mất mát ra môi trờng là Qm = 30179,43 (kJ/h).
- Xác định đợc lợng nhiệt riêng cần để nhả hấp phụ 1 đơn vị khối lợng nớc hấp phụ là
2
rH O
- Xác định đợc khối lợng khí đem tái sinh là Gk = 1170,77 (kg).
Do thời gian nghiên cứu có hạn nên quá trình tính toán thiết kế công nghệ sấy khí đồng hành của mỏ Bạch Hổ bằng γ - Al2O3 cần phải tiếp tục đợc hoàn thiện để công nghệ này có thể đạt đợc nhiệt độ điểm sơng thấp hơn và độ giải ẩm cao hơn cũng nh khí sau khi sấy đợc khô hơn nữa.
Tài liệu tham khảo
1. PGS. TS. Nguyễn Thị Minh Hiền. "Công nghệ chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành". Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2002.
2. PGS. TS. Đinh Thị Ngọ. "Hoá học dầu mỏ và khí". Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2001.
3. GS. TS. Nguyễn Bin; PGS. TS. Đỗ Văn Đài; PTS. Lê Nguyên Đơng; PTS. Trần Xoa. "Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất"
Tập II. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 1999
4. MA. Berlin - VG. Gortrencốp - HP. Vol cốp. "Công nghệ chế biến khí thiên nhiên và Khí dầu mỏ".
Ngời dịch: Hoàng Minh Nam; Nguyễn Văn Phớc; Nguyễn Đình Soa; Phan Minh Tâm . Trờng đại học kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh.
5. TS. Nguyễn Hữu Trịnh. Luận án tiến sĩ hoá học. "Nghiên cứu điều chế các dạng nhôm hydroxit, nhôm ôxit và ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu". Đại học Bách Khoa Hà Nội 2002.
6. Campbell J.M. Gas Conditioning and Processing. Vol 2. The Equipment. Campbell Petroleum Series. Normal, Oklahoma. October 1994.
Mục lục
Trang
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt trong đồ án...2
Mở đầu...5
Phần I...7
Tổng quan...7
Chơng I: Cơ sở hoá lí của công nghệ sấy khí...8
I.1. Thành phần, đặc tính của khí tự nhiên và khí đồng hành...8
I.2. Các tính chất của khí tự nhiên và khí đồng hành...8
I.2.1. Phơng trình trạng thái của các hydrocacbon...8
I.2.2. Cân bằng pha của hệ các hydrocacbon...9
I.3. Tính chất của hệ hydrocacbon và nớc...10
I.3.1. Hàm ẩm của khí...10
I.3.2. ảnh hởng của nitơ và các hydrocacbon nặng đến hàm ẩm của khí...10
I.3.3. Hàm ẩm cân bằng của hydrat...11
I.3.4. Sự tạo thành hydrat...15
I.3.4.1. Cấu trúc tinh thể hydrat...15
I.3.4.2. Cân bằng quá trình tạo hydrat...16
I.3.4.3. Nhận xét...17
I.4. Quá trình hấp phụ...18
I.4.1. Khái niệm chung về hấp phụ...18
I.4.2. Chất hấp phụ...18
I.4.2.1. Đặc chng của chất hấp phụ...18
I.4.2.2. Ôxit nhôm và γ - Al2O3...19
I.4.3. Cân bằng pha của quá trình hấp phụ...23
I.4.4. Hoạt độ hấp phụ...23
I.4.5. Các thuyết hấp phụ...24
I.4.5.1. Thuyết hấp phụ Lang muir...24
I.4.5.2. Thuyết hấp phụ BET...24
I.4.6. ảnh hởng của nhiệt độ...30
I.4.6.1. Nhiệt hấp phụ...30
I.4.6.2. Nhiệt trong quá trình tái sinh...31
I.4.7. Động học của quá trình hấp phụ...33
I.4.7.1. Chuyển chất từ pha hơi đến bề mặt ngoài viên...33
I.4.7.2. Chuyển chất trong mao quản...35
I.4.7.3. Động học của quá trình hấp phụ...36
Chơng II: Công nghệ...39
II.1. Các phơng pháp sấy khô khí...39
II.1.1. Phơng pháp hấp thụ...39
II.2. Công nghệ sấy khí bằng phơng pháp hấp phụ...42
II.2.1. Công nghệ sấy với chu trình tái sinh kín...42
II.2.2. Công nghệ sấy khí với chu trình tái sinh hở...44
II.2.2.1. Phơng án 1...44
II.2.2.2. Phơng án 2...46
II.2.2.3. Phơng án 3...48
II.2.3. Chọn công nghệ tính toán thiết kế...49
II.2.3.1. Lựa chọn công nghệ...49
II.2.3.2. Sơ đồ công nghệ...50
II.2.3.3. Nguyên lý hoạt động...51
Phần II...53
Tính toán thiết kế...53
công nghệ...53
II.1. Cơ sở tính toán thiết kế...54
II.2. Tính toán quá trình sấy khô bằng phơng pháp hấp phụ...54
1. Vận tốc khối lợng...54
2. Xác định khối lợng nớc tách từ khí trong chu kỳ hấp phụ...58
3. Đờng kính của tháp hấp phụ...60
4. Tính vận tốc tuyến tính của khí trong tiết diện tự do của tháp hấp phụ ở điều kiện làm việc:...60
5. Xác định tải trọng riêng của lớp nớc (kg/h.m2):...61
6. Chiều dài vùng hấp phụ:...61
7. Dung lợng ẩm cân bằng động của lớp ad (%) tìm đợc từ hình (H.20) và hình (H.21):...62
8. Chiều cao cần thiết của lớp hấp phụ động:...62
9. Thời gian hoạt động của lớp cho đến khi có ẩm xuyên qua:...64
10. Tổn thất khi khí chuyển động qua lớp hạt chất hấp phụ đợc xác định theo biểu thức:...64
II.3. Tính toán qúa trình tái sinh chất hấp phụ trong qúa trình sấy. ...66
Kết luận...71