›
›

Công nghệ Hóa học - Hàm lượng nước trong HC

ppt 70 trang vanle 3980
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Công nghệ Hóa học - Hàm lượng nước trong HC", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptcong_nghe_hoa_hoc_ham_luong_nuoc_trong_hc.ppt

Nội dung text: Công nghệ Hóa học - Hàm lượng nước trong HC

  1. HÀM LƯỢNG NƯỚC TRONG HC  Phương pháp tính toán, dự đoán  Xác định từ đồ thị:  Giản đồ McKetta và Wehe (1958): khí ngọt  Giản đồ Campbell: khí chua  Dùng công thức  Xác định hàm lượng nước bằng các dụng cụ đo  Đơn vị: [mg/Sm3]; [lb/MMscf] Sm3 : mét khối chuẩn; đo tại điều kiện chuẩn ISO 2533 101.35 kPa; 15oC MMscf : triệu feet khối chuẩn, đo tại 14.7 psi (101.35kPa); 60 oF (15.56 oC) 1 lb = 0.454 kg 1 atm = 14.696 psia = 101.3 kPa 1
  2. HÀM LƯỢNG NƯỚC TRONG HC ? 01Hàm lượng nước trong khí ngọt Giản đồ McKetta và Wehe A 01 Xác định hàm lượng nước bão hoà cho dòng khí o hydrocacbon ngọt có SGg 0.9; nhiệt độ 70 C và áp suất 6000 kPa. - Từ Hình 1: W = 4500 mg/Sm3 - Hệ số hiệu chỉnh cho SGg 0.9: CG = 0.98 ->Hàm lượng nước: W = 0.98 x 4500 = 4410 mg/Sm3 2
  3. HÀM LƯỢNG NƯỚC TRONG HC ? Hàm lượng nước trong khí chua 02 ❖ Tính hàm lượng nước cho dòng khí: 80% C1, 10% H2S và 10% CO2, tại 70 oC và 6000 kPa. A 02 a) Áp dụng công thức: W = yHCWHC + yH2SWH2S + yCO2WCO2 = 0.8x4500 + 0.1x6000 + 0.1x4700 = 4670 mg/Sm3 Đọc WHC, WH2S, WCO2 từ các Hình 1, 2 và 3 b) Dùng giản đồ Campbell với nồng độ H2S tương đương: yH2S* = yH2S + 0.75 x yCO2 = 0.175 = 17.5% Đọc hàm lượng nước từ Hình 4: W = 4500 mg/Sm3 (6900 kPa); 12000 mg/Sm3 (2100 kPa) -> tại 6000 kPa: W = 4514 mg/Sm3 3
  4. HÀM LƯỢNG NƯỚC TRONG HC Dùng công thức 3 W [g/m ] = A/P [atm] + B cho SGg = 0.6 W = (A/P + B) x CG x CS cho SGg > 0.6 A, B: Các hệ số tra từ Bảng 1 CG; CS: Các hệ số hiệu chỉnh tỷ trọng tương đối và nồng độ muối, đọc từ Hình 1 ? 03 Làm lại ví dụ 01 và 02 sử dụng các công thức trên. 8
  5. HÀM LƯỢNG NƯỚC TRONG HC A 03 - P= 6000 kPa = 60 atm - T = 70 oC : A = 238.5; B = 0.793 ? 3 3 01 W = (238/60 + 0.793) x 0.98 = 4.66 g/m = 4660 mg/m ? 02 SGg = (16 x 0.8 + 34 x 0.1 + 44 x 0.1) / 228.97 = 0.7 -> CG = 0.96 (từ Hình 1) W = (238/60 + 0.793) x 0.96 = 4.66 g/m3 = 4560 mg/m3 10
  6. XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TẠO THÀNH HYĐRÁT  Xác định điều kiện P, T tạo thành hydrat:  Xác định SGg  Sử dụng Hình 5 để đọc giá trị P, T tương ứng  Phương pháp Katz  Xác định điều kiện tạo thành hydrat trong quá trình giãn nở khí (giảm áp)  Sử dụng các giản đồ trong Hình 6-7 11
  7. XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TẠO THÀNH HYĐRÁT ? 04 C1 0.784 Cho dòng khí: C2 0.060 a) Xác định P tạo thành hydrat tại 10oC. C3 0.036 C4 0.024 b) Dòng khí trên được giãn nở từ 10000 N2 0.094 kPa xuống 3400 kPa. Xác định T tối CO2 0.002 thiểu để không có sự tạo thành hydrat trong quá trình giãn nở. c) Dòng khí trên tại 15000 kPa, 40oC có thể giãn nở đến áp suất nào mà không bị tạo thành hydrat? 12
  8. XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TẠO THÀNH HYĐRÁT A 04 13
  9. XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TẠO THÀNH HYĐRÁT A 04 a) SGg = 0.693 Đọc từ giản đồ trong Hình 5: P = 2200 kPa b) Từ giản đồ trong Hình 7, tìm điểm nối giữa đường áp suất đầu 10000kPa và áp suất sau 3400 kPa. Đọc T tương ứng (~450C). c) Cũng từ Hình 7, tìm điểm nối giữa đường áp suất đầu 15000kPa và nhiệt độ 400C, đọc áp suất sau (~ 8000 kPa) 17
  10. XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TẠO THÀNH HYĐRÁT  Phương pháp Katz  Chính xác hơn phương pháp dùng đồ thị  Chọn một giá trị T tại P cho trước (hoặc P tại T cho trước)  Sử dụng các giản đồ trong Hình 8-11 để xác định hằng số cân bằng khí-rắn Kv-s cho mỗi hydrocarbon.  Xét tổng Σ(yi/Ki,v-s)  Lặp lại 3 bước trên cho đến khi Σ(yi/Ki,v-s) = 1 18
  11. XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TẠO THÀNH HYĐRÁT ? 05 Cho dòng khí: C1 0.784 C2 0.060 Xác định P tạo thành hydrat tại 2000 C3 0.036 kPa theo phương pháp Katz. C4 0.024 ? N2 0.094 So sánh với kết quả của 04 CO2 0.002 19
  12. XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TẠO THÀNH HYĐRÁT A o Xét T = 10 C y K y/K 05 v-s v-s C1 0.784 2.05 0.382 C2 0.060 0.82 0.073 C3 0.036 0.12 0.3 C4 0.024 0.045 0.533 ∑y/Kv-s = 1.288 > 1 Xét T = 12oC y Kv-s y/Kv-s C1 0.784 2.12 0.3698 C2 0.060 1.1 0.0545 C3 0.036 0.23 0.1565 C4 0.024 0.084 0.2857 ∑y/Kv-s = 0.8665 < 1 Xét tại 11oC, thu được ∑y/Kv-s = 1.0417 ~ 1, có thể kết luận đây là nhiệt độ tạo hydrát của dòng khí tại 2000 kPa 23
  13. XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TẠO THÀNH HYĐRÁT  Đối với dòng khí chua có nồng độ H2S, CO2 cao:  Không sử dụng được phương pháp Katz !!!  Sử dụng phương pháp Baille-Wichert: hiệu chỉnh nhiệt độ tạo hydrat thông qua % C3 24
  14. XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TẠO THÀNH HYĐRÁT ? 06 C1 0.843 Cho dòng khí: C2 0.031 a) Xác định T tạo thành hydrat tại 4200 kPa ? C3 0.007 C4 0.004 N2 0.003 CO2 0.070 H2S 0.042 25
  15. XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TẠO THÀNH HYĐRÁT A 06 Dùng phương pháp Baille-Wichert a) SGg = 0.682 b) Giản đồ Hình 12: 4200 kPa -> 4.2 %H2S -> SGg = 0.682 c) Theo độ dốc ở phần dưới của giản đồ xác định được T tạo hydrat tương ứng là 17.5oC. d) Hiệu chỉnh theo %C3 Từ giản đồ hiệu chỉnh trong Hình 12, tìm điểm nối giữa %H2S và %C3. Dóng thằng xuống đường P = 4200kPa. Đọc nhiệt độ hiệu chỉnh: -1.5oC. e) Vậy T tạo hydrat của dòng khí này là 16oC 26
  16. HẤP THỤ BẰNG DUNG MÔI  Các bước tính toán thiết kế tháp hấp thụ:  Xác định yêu cầu dòng khí khô: điểm sương  Xác định %TEG nguyên chất cần thiết từ điểm sương của dòng khí sản phẩm. Sử dụng giản đồ trong Hình 13.  Xác định tốc độ tuần hoàn của TEG (15-40L TEG/1kg nước)  Xác định chiều cao tháp:  Xác định hiệu quả hấp thụ nước (Win-Wout)/Win  Xác định số mâm lý thuyết: sử dụng các giản đồ trong Hình 14-18  Số mâm thực tế = số mâm lý thuyết / hiệu suất trên mỗi mâm (20-30%) ?  Xác định đường kính của tháp (theo công thức): xem 07 28
  17. HẤP THỤ BẰNG DUNG MÔI  Các bước tính toán thiết kế tháp thu hồi:  Tính toán yêu cầu năng lượng nồi hơi ?  Xem 07 29
  18. HẤP THỤ BẰNG DUNG MÔI ? 07  Cho dòng khí thiên nhiên: - Lưu lượng 0.85 x 106 m3/ngày - SGg = 0.65 - Z = 0.92 đi vào tháp hấp thụ với TEG tại 4100 kPa và 38oC 3  Yêu cầu cho dòng khí sản phẩm là 110 mg H20/m  Tốc độ hồi lưu TEG 25 L/kg H2O Tính  Đường kính và chiều cao tháp hấp thụ  Yêu cầu năng lượng cho lò hơi tháp thu hồi TEG nếu nhiệt độ của dòng TEG lẫn nước đi vào tháp thu hồi là 150 oC và nhiệt độ lò hơi là 200 oC 30
  19. HẤP THỤ BẰNG DUNG MÔI A  Tính % TEG nguyên chất cần dùng: 07  Từ giản đồ trong Hình 1 3  điểm sương của dòng khí sản phẩm 110 mg H20/m ; 4100 kPa là -4oC  điểm sương lý thuyết : -4oC – 6oC = -10oC o  Từ giản đồ Hình 13, Ttháp = 38 C -> % TEG tối thiểu 99 %  Tính số mâm lý thuyết (N)  Hiệu quả hấp thụ nước: 0.922  Win = 1436 (giản đồ Hình 1); Wout = 110  Từ giản đồ Hình 15: N = 1.5; 25 L TEG/1kg nước; % TEG = 99 -> hiệu quả hấp thụ nước 0.885 : không thích hợp  Từ giản đồ Hình 16: N = 2; 25 L TEG/1kg nước; % TEG = 99 -> hiệu quả hấp thụ nước 0.925 : thích hợp, chọn N =2  Tính số mâm thực tế : 8 mâm, mỗi mâm cách nhau 0.6 m 31
  20. HẤP THỤ BẰNG DUNG MÔI A 07  Tính đường kính tháp hấp thụ:  Tính vận tốc dòng khí theo công thức Sounder-Brown 2 0.5 G [kg/m .h] = C [ v( L- v)] C [m/h] đọc từ Bảng 2 v, L là khối lượng riêng của khí và TEG  Tính tiết diện A = m*/G; m* là lưu lượng dòng khí [kg/h]  Đường kính tháp hấp thụ D = (4A/ )0.5  Kết quả 1.09 m cho tháp mâm. 38
  21. HẤP THỤ BẰNG DUNG MÔI A Bảng 2 07 39
  22. HẤP THỤ BẰNG DUNG MÔI A 07  Tính yêu cầu năng lượng nồi hơi tháp thu hồi TEG Tính cho 1m3 TEG  Nhiệt lượng cần cho dòng TEG từ 150oC lên 200oC 3 o Qs = mCp∆T = 1114(kg/m ) x 2.784(kJ/kg C)x(200-150) = 155 MJ/m3  Nhiệt lượng cần để bay hơi nước 3 Qv = ∆Hvapx∆W = 2260 (kJ/kgH2O)x1(kg H2O)/0.025 (m ) = 90 MJ/m3  Nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ, tỷ số hoàn lưu 25% 3 Qc = 0.25 Qv = 22.5 MJ/m  Tổng nhiệt lượng cần thiết (tính thêm 10% thất thoát nhiệt) 3 Qr = (155+90+22.5)x1.1 = 294 MJ/m 41
  23. TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ CHẤT HẤP PHỤ 42
  24. SƠ ĐỒ QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ - GIẢI HẤP ◼ Thuyết minh - Dòng khí đi qua tháp hấp phụ theo chiều từ trên xuống dưới - Trước khi đi vào tháp hấp phụ, dòng khí phải qua một thiết bị tách tạp chất lỏng, rắn - 2 tháp hoạt động luân phiên: 1 tháp hấp phụ; 1 tháp giải hấp - Quá trình hấp phụ thực sự diễn ra trong vùng trao đổi chất (MTZ) - Quá trình giải hấp diễn ra bằng cách đưa dòng khí nóng đi qua tháp. Sau đó làm nguội tháp đến nhiệt độ hấp phụ. 43
  25. KHỬ NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ  Quá trình hấp phụ 44
  26. KHỬ NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ  Quá trình hấp phụ 45
  27. KHỬ NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ  Chiều dày vùng truyền khối (MTZ) có thể được tính theo các phương trình sau: VS: vận tốc bề mặt (ft/min) F: hệ số F = 1,7 cho loại hạt rây phân tử 1/8 inch F = 0,85 cho loại hạt rây phân tử 1/16 inch 46
  28. SƠ ĐỒ QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ - GIẢI HẤP Những điểm cần lưu ý khi thiết kế ◼ Tốc độ dòng khí : nên chọn tốc độ nhỏ, nhưng phải chú ý đến đường kính tháp và hiệu suất sử dụng chất hấp phụ Hình 19 47
  29. HẤP PHỤ BẰNG RÂY PHÂN TỬ  Độ giảm áp suất theo chiều dài tầng chất hấp phụ: Phương trình Ergun μ: độ nhớt (cp) ρ: khối lượng riêng (lb/ft3) VS: vận tốc bề mặt (ft/min) ΔP: độ giảm áp suất L: chiều dày lớp hấp phụ B, C: hệ số hiệu chỉnh (xem Bảng) 48
  30. HẤP PHỤ BẰNG RÂY PHÂN TỬ 49
  31. HẤP PHỤ BẰNG RÂY PHÂN TỬ  Tỷ lệ chiều dày lớp hấp phụ/đường kính D: đường kính lớp hấp phụ L: Chiều dày lớp hấp phụ QG: lưu lượng khí T: nhiệt độ dòng khí ướt P: áp suất dòng khí ướt VSG: tốc độ dòng khí Z: hệ số nén khí ρb: khối lượng riêng của chất hấp phụ W: khối lượng hơi nước dự định hấp phụ trong 1 chu kỳ X: Năng suất hấp phụ 50
  32. HẤP PHU BẰNG RÂY PHÂN TỬ  Khả năng hấp phụ của chất hấp phụ Năng suất hấp phụ có ích tối đa: Theo công thức Campbell Hình 20 X: Năng suất hấp phụ LB: Chiều dày lớp hấp phụ XS: khả năng hấp phụ động học (xác định từ đồ thị) Lz: chiều dày vùng truyền khối MTZ 51
  33. HẤP PHỤ BẰNG RÂY PHÂN TỬ  Ảnh hưởng của độ bão hòa hơi nước trong dòng khí lên khả năng hấp phụ của rây phân tử Hình 21 52
  34. HẤP PHỤ BẰNG RÂY PHÂN TỬ  Ảnh hưởng của nhiệt độ dòng khí lên khả năng hấp phụ của rây phân tử Hình 22 53
  35. HẤP PHỤ BẰNG RÂY PHÂN TỬ  Chiều dày vùng truyền khối MTZ 0.5 -6 ft : 0.2 – 1.8 m Hoặc theo công thức x A VSG: tốc độ dòng khí RS: độ bão hoà tương đối của nước trong dòng khí : mW khối lượng nước A: = 1 silica gel = 0.8 alumina = 0.6 rây phân tử 54
  36. HẤP PHỤ BẰNG RÂY PHÂN TỬ  Thời gian tới hạn (thời gian chu kỳ hoạt động của tháp) 55
  37. HẤP PHỤ BẰNG RÂY PHÂN TỬ  Bảng chuyển đổi đơn vị 0F = 0C x 1.8 + 32 0R (Rankine Temperature) = oF + 460 1 psi = 0.068 bar = 6.8 kPa 1 lb = 0.454 kg 1 ft = 0.305 m 1 inch = 0.0254 m MMscfd ~ milion standard cubic feet per day 56
  38. HẤP PHỤ BẰNG RÂY PHÂN TỬ ◼ Bảng điều kiện chuẩn Hệ T P V 22.415 SI 101.325 m3/kmol 273.15K kPa Universal scientific 22.415 L/mol 0oC 760 mm Hg Nat. gas industry 379.4 ft3/lb 60oF 14.7 psi mol American 32oF engineering 1 atm 359.05 ft3/lb mol 57
  39. HẤP PHỤ BẰNG RÂY PHÂN TỬ 58
  40. HẤP PHỤ BẰNG RÂY PHÂN TỬ ? Cho dòng khí: 08 Lưu lượng: 35 MMscfd (QG) Mw: 18; tỷ trọng 1.5lbs/ft3 Điểm sương: 1000F Điều kiện vận hành tháp hấp phụ: 1100F; 500 psi Yêu cầu hàm lượng nước trong khí khô: 1ppm Hãy thiết kế tháp hấp phụ cho quá trình làm khô dòng khí trên 59
  41. HẤP PHỤ BẰNG RÂY PHÂN TỬ A Các bước thiết kế: 08 1. Chọn khả năng hấp phụ có ích X (vd 12 lb H20/100lb chất hấp phụ) 2. Tính khối lượng chất hấp phụ phụ trên 1 chu kỳ WB= (1/X)QG x W / 3 (chu kỳ 8h) -> VB 3. Chọn VSG từ Hình 19 4. Tính D - > LB 5. Tính mW 6. Tính LMTZ 7. Kiểm tra lại X 8. Tính thời gian tới hạn, kiểm tra lại chu kỳ với thời gian tới hạn 9. Kiểm tra lại độ giảm áp (nên nhỏ hơn 8psi) 60
  42. HẤP PHỤ BẰNG RÂY PHÂN TỬ 1. Chọn X = 12 lb nước / 100 lb chất hấp phụ = 0.12 A 2. WB = (QG x W)/(3 x 0.12) = 9722 08 W đọc từ Hình 1b = 100 lb nước/MMscf 3: chọn 1 chu kỳ là 8 h 3 VB = WB/ρB = 9722/45 = 216 ft : 3. Xác định VSG Từ Hình 19, giả sử dùng hạt kích thước 1/8 inch -> VSG = 38 ft/min 4. Tính đường kính lớp hấp phụ 0R D = 4.9 ft 2 -> LB = 216 x 4 / (3.14 x D ) = 11.5 ft 61
  43. HẤP PHỤ BẰNG RÂY PHÂN TỬ A 08 5. Tính mW = 7.72 6. Tính LMTZ x A RS = 100; A = 0.6 -> LMTZ = 45.07 inch = 3.76 ft 62
  44. HẤP PHỤ BẰNG RÂY PHÂN TỬ A 7. Kiểm tra lại X 08 XS đọc từ Hình 20 : 14 lb nước / 100 lb chất hấp phụ LB = 11.5 LZ = 3. 76 -> X = 11.94 ~ 12 8. Tính thời gian tới hạn = 8.04 ~ 8 h 63
  45. HẤP PHỤ BẰNG RÂY PHÂN TỬ A 08 8. Tính độ giảm áp = 0.056 x 0.01 x 38 + 0.000089 x 1.5 x 38 x 38 = 0.21 Delta P = 0.21 x 11.5 = 2.46 psi P ~ 2.5 psi < 8 psi 64
  46. CHỐNG THÀNH TẠO HYDRAT BẰNG CÁC CHẤT ỨC CHẾ Lượng chất ức chế cần sử dụng Tính theo phương trình Hammerschmidt ΔT = K x I / [ (100 – I) x MI ] ΔT : độ giảm nhiệt độ tạo thành hyđrát (oF) K : hằng số cho mỗi chất ức chế I : nông độ tối thiều của chất ức chế trong nước tự do wt% MI : khối lượng phân tử chất ức chế Chất ức chế M K Methanol 32 2335 EG 62 2200 PG 76 3590 DEG 106 4370 65
  47. CHỐNG THÀNH TẠO HYDRAT BẰNG CÁC CHẤT ỨC CHẾ o ? Dòng khí: 2 MMscfd, SGg = 0.6 tại 1000 psi và 100 F 09 Vận chuyển vào bờ tại 800 psi và 40oF. Tính lưu lượng MeOH cần bơm vào để ức chế sự tạo thành hyđrat 66
  48. Chống thành tạo Hydrat bằng các chất ức chế A 1. Hàm lượng nước của dòng khí: 09 Từ Hình 1b : 1000 psi ; 1000F : 60 lb/MMscf 800 psi ; 40 oF : 10.5 lb/MMscf -> Lượng nước tự do: (60 – 10.5)lb/MMscf x 2 MMscfd = 99 lb/ngày 2. Nhiệt độ tạo thành hydrát: 0 Từ Hình 5-b: 800psi, 0.6 SGg : Thydrat = 57.5 F -> ΔT = 17.5 0F 3. Theo pt Hammerschmidt : K = 2335; M = 32 -> I = 19.4% -> Lượng MeOH cần cho 99 lb nước/ngày là 99 x 19.4 /(100 -19.4) = 23.83 lb MeOH/ngày 67
  49. CHỐNG THÀNH TẠO HYDRAT BẰNG CÁC CHẤT ỨC CHẾ Hình 5-b 68
  50. CHỐNG THÀNH TẠO HYDRAT BẰNG CÁC CHẤT ỨC CHẾ A 4. Lượng methanol bốc hơi vào pha khí: 09 Từ Hình 23 nồng độ MeOH trong pha khí [lb MeOH / MMscf] C = nồng độ methanol trong pha nước [wt%] Tại 800 psi, 40oF, C = 1.1 -> nồng độ MeOH trong pha khí = 1.1 x 19.4 = 21.34 lb/MMscf Lượng MeOH trong pha khí = 21.34 x 2 = 42.68 lb MeOH/ngày 5. Tổng lượng MeOH cần dùng là: 23.83 + 42.68 = 66.51 lb MeOH/ngày 69
  51. CHỐNG THÀNH TẠO HYDRAT BẰNG CÁC CHẤT ỨC CHẾ 70