Đề tài Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN 0

MỞ ĐẦU 4

PHẦN I: TỔNG QUAN 6

CHƯƠNG I: CƠ SỞ HOÁ LÍ CỦA CÔNG NGHỆ SẤY KHÍ 7

I.1. Thành phần, đặc tính của khí tự nhiên và khí đồng hành. 7

I.2. Các tính chất của khí tự nhiên và khí đồng hành. 8

I.2.1. Phương trình trạng thái của các hydrocacbon. 8

I.2.2. Cân bằng pha của hệ các hydrocacbon. 8

I.3. Tính chất của hệ hydrocacbon và nước. 9

I.3.1. Hàm ẩm của khí. 9

I.3.2. Ảnh hưởng của nitơ và các hydrocacbon nặng đến hàm ẩm của khí. 10

I.3.3. Hàm ẩm cân bằng của hydrat. 10

I.3.4. Sự tạo thành hydrat. 14

I.3.4.1. Cấu trúc tinh thể hydrat. 14

I.3.4.2. Cân bằng quá trình tạo hydrat. 16

I.3.4.3. Nhận xét. 16

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 chưng của chất hấp phụ. 18

I.4.2.2. Ôxit nhôm và - 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. 25

I.4.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ. 31

I.4.6.1. Nhiệt hấp phụ. 31

I.4.6.2. Nhiệt trong quá trình tái sinh. 32

I.4.7. Động học của quá trình hấp phụ. 34

I.4.7.1. Chuyển chất từ pha hơi đến bề mặt ngoài viên. 34

I.4.7.2. Chuyển chất trong mao quản. 36

I.4.7.3. Động học của quá trình hấp phụ. 38

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ 40

II.1. Các phương pháp sấy khô khí. 40

II.1.1. Phương pháp hấp thụ. 40

II.1.2. Phương pháp hấp phụ. 41

II.1.3. Lựa chọn phương pháp. 42

II.2. Công nghệ sấy khí bằng phương pháp hấp phụ 43

II.2.1. Công nghệ sấy với chu trình tái sinh kín. 43

II.2.2. Công nghệ sấy khí với chu trình tái sinh hở. 45

II.2.2.1. Phương án 1. 45

II.2.2.2. Phương án 2. 47

II.2.2.3. Phương án 3. 49

II.2.3. Chọn công nghệ tính toán thiết kế. 50

 

doc78 trang | Chia sẻ: huong.duong | Ngày: 05/09/2015 | Lượt xem: 956 | Lượt tải: 2download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đề tài Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
o 3 a l 2 o 3 a - 0 200 C 0 180 C 0 450 C a - a l 2 o 3 Bemit Bayerit Norrdstrandit Diaspor 450 C 0 450 C 0 a - a l 2 o 3 0 1200 C a l 2 o 3 q - h - a l 2 o 3 0 500 C a l 2 o 3 a - Sơ đồ I: Sự phân huỷ nhiệt của hydroxit nhôm Dựa vào cấu trúc ta có thể phân loại Al2O3 như sau: Nhóm a có cấu trúc mạng lưới diện bó chặt. Nhóm b có cấu trúc mạng lưới bát diện bó chặt luân phiên. Nhóm g có cấu trúc mạng khối bó chặt. Oxit nhôm được dùng làm chất hấp phụ để hạ nhiệt độ điểm sương và làm giảm hàm lượng ẩm có trong khí tự nhiên và khí đồng hành do nó có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt riêng lớn, có các tâm axit chịu được nước… (Bảng I.3). Bảng I.3. Tính chất vật lí của oxit nhôm hoạt tính. Chất hấp phụ và ứng dụng của nó Hình dạng hạt Kích thước hạt; mm Độ xốp bên trong của hạt x, % Độ xốp của lớp e, % Khối lượng riêng xốp rx' kg/m3 Đường kính mao quản A0 Diện tích bề mặt hấp phụ m2/g Khả năng hấp phụ, g/g chất hấp phụ khó 1. Nhôm oxit hoạt tính dùng để sấy khí và chất lỏng, làm chất mang xúc tác, trung hoà dầu bôi trơn, chất xúc tác H 6á2,4 - - 875 - 210 0,14 (2) H 0,85á0,25 - - 750 - 310 - H Hạt khác nhau 25 49 795 34 250 0,14 (2) T 4,6 - 40 690 - 310 - V 25x16 60 - 13610 - 0,5 0,14 (2) C 4,75á2,4 40 39 835 20á80 350 - C 6á2,4 - 45 720 64 360 0,20 (2) C 0,1á0,04 - 35 770 - 400; 310 - C 6á3,4 - - 880 - 350 0,2 (2) Chú thích: H - dạng hạt; T - dạng hình trụ; V - dạng viên dẹt ; C - dạng hình cầu ; (2) Theo nước, độ ẩm tương đối 100%. Tính chất hoá học bề mặt oxit nhôm liên quan trực tiếp đến tính hấp phụ và tính xúc tác của nó. Do phụ thuộc vào nhiệt độ, oxit nhôm có thể hấp phụ nước ở dạng ion OH- hoặc phân tử nước. Khi tiếp xúc với nước ở nhiệt độ thường, oxit nhôm hấp phụ nước ở dạng phân tử không phân ly. b. Ôxit nhôm dạng g - Al2O3. Dạng g - Al2O3 không tìm thấy trong tự nhiên mà nó được tạo thành khi nung Gibbsit, Bemit ở nhiệt độ, 450 á 6000C. Khối lượng riêng của g - Al2O3 là 3,2 á 3,77 g/cm3. Hệ số khuếch tán của tinh thể g - Al2O3 . n0 = 1,73 ; Ng = 1,69 ; Np = 1,69 Thông số ô mạng cơ sở của g - Al2O3 . a = 7,70 á 7,96 A0 ; C = 7,82 á 7,92 A0. Ngoài ra trên bề mặt của g -Al2O3 tồn tại hai loại tâm axit, tâm axit Lewis có khả năng tiếp nhận điện tử từ phân tử chất hấp phụ, còn tâm axit Bronsted có khả năng nhường proton cho phân tử chất hấp phụ. Do g - Al2O3 có bề mặt riêng, thể tích lỗ xốp và hình dáng kích thước mao quản lớn nên nó có khả năng hấp phụ hơi nước trong khí tự nhiên và khí đồng hành tốt hơn các oxit nhôm dạng a - Al2O3 và b - Al2O3 . Khi dùng g - Al2O3 điểm sương của khí sau khi sấy có thể đạt tới - 730C (-1000F). Chính vì vậy mà em chọn g - Al2O3 làm chất hấp phụ cho đề tài này. Hình H7: Cấu trúc khối của g - Al2O3 I.4.3. Cân bằng pha của quá trình hấp phụ. ở một nhiệt độ nhất định và khi thời gian tiếp xúc pha đầy đủ thì quá trình hấp phụ do bất kỳ lực nào tác dụng cũng sẽ đạt đến trạng thái cân bằng. Phương trình nồng độ cân bằng biểu diễn quan hệ giữa nồng độ chất bị hấp phụ trong pha khí và trong pha rắn có dạng chung như sau: (I.3) Trong đó: - Nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha rắn, kg/kg - Nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha khí, kg/kg Trong trường hợp chung, các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình hấp phụ là áp suất và nhiệt độ. Nếu giữ nhiệt độ không đổi thì nồng độ chất bị hấp phụ trong pha khí tỷ lệ với áp suất riêng phần của nó trong hỗn hợp, do đó phương trình nồng độ cân bằng có dạng sau: = f (P) (I.4) Trong đó : P - áp suất riêng phần của chất bị hấp phụ trong hỗn hợp khí, mmHg. I.4.4. Hoạt độ hấp phụ Hoạt độ hấp phụ là đặc trưng cơ bản của chất hấp phụ có hai loại hoạt độ. Hoạt độ tĩnh được đặc trưng bởi lượng tối đa chất bị hấp phụ do một đơn vị thể tích hay một đơn vị khối lượng chất hấp phụ hút được ở một nhiệt độ và nồng độ nhất định của chất bị hấp phụ có trong pha khí (hơi) cho đến khi đạt tới cân bằng. Hoạt độ động được đặc trưng bởi lượng tối đa chất lượng chất bị hấp phụ do một đơn vị thể tích hay một đơn vị khối lượng chất hấp phụ hút được trong khoảng thời gian tính từ khi bắt đầu hấp phụ cho đến khi xuất hiện chất bị hấp phụ trong pha khí đi ra. I.4.5. Các thuyết hấp phụ. Để giải thích hiện tượng và quá trình hấp phụ người ta đưa ra rất nhiều thuyết hấp phụ, nhưng phổ biến hơn cả là thuyết hấp phụ hoá học của Lang muir và thuyết hấp phụ của Brunauer - Emmelt - Teller (gọi tắt là BET) I.4.5.1. Thuyết hấp phụ Lang muir. Thuyết này giải thích nguyên nhân hấp phụ là do phân tử hay nguyên tử trên bề mặt chất hấp phụ chưa bão hoà hoá trị, do lực hoá trị dư tạo ra liên kết hoá học, lực hoá trị này rất ngắn không lớn hơn đường kính phân tử, do đó chỉ hấp phụ một lớp. Quá trình hấp phụ chỉ xảy ra trên những điểm đặc biệt gọi là tâm hấp phụ. Để tính toán hấp phụ đẳng nhiệt, Lang muir đưa ra phương trình: (I.5) Trong đó: - lượng chất bị hấp phụ trong một đơn vị khối lượng hay thể tích hấp phụ ở trạng thái cân bằng (nồng độ chất bị hấp phụ trong pha rắn); A, B - hằng số, phụ thuộc vào tính chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ; p - áp suất riêng phần của chất bị hấp phụ trong hỗn hợp khí. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ (I.5) của Lang muir được chia làm ba vùng: a. Vùng áp suất riêng phần nhỏ, lúc đó đại lượng Ap ở mẫu số có thể bỏ qua và quan hệ phụ thuộc (I.5) có dạng. = ABp (I.6) b. Vùng áp suất riêng phần lớn, lúc đó đơn vị 1 ở mẫu số có thể bỏ qua và quan hệ phụ thuộc(I.5) có dạng: = B (I.7) Vùng trung gian ở giữa thì phương trình (I.5) vẫn được sử dụng để tính toán. Tuy nhiên phương trình (I.5) không áp dụng được đối với trường hợp hấp phụ đa phân tử. I.4.5.2. Thuyết hấp phụ BET. Thuyết này được thiết lập trên cơ sở giả thiết bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất và sự hấp phụ xảy ra trên nhiều lớp trong đó mỗi tiểu phân bị hấp phụ ở lớp thứ nhất trở thành trung tâm hấp phụ đối với các tiểu phân ở lớp thứ hai, mỗi tiểu phân bị hấp phụ ở lớp thứ hai trở thành trung tâm hấp phụ đối với các tiểu phân lớp thứ ba… Hình H.9. Mô hình hấp phụ vật lí nhiều lớp theo lí thuyết BET Các đường hấp phụ đẳng nhiệt thường có 5 dạng điển hình như được biểu diễn trên hình (H.10). Hình H.10. Sáu kiểu đường hấp phụ đẳng nhiệt theo phân loại của IUPAC Trong đó: nad - lượng chất bị hấp phụ v - Thể tích chất bị hấp phụ. p - áp suất. Đường đẳng nhiệt kiểu I tương ứng với các vật liệu vô cơ có cấu trúc vi mao quản (d 50nm). Các vật liệu vô cơ có đường kính mao quản trung bình (2nm < d < 50nm) có các kiểu đường đẳng nhiệt đặc trưng như kiểu IV và V. Kiểu I là ứng với hấp phụ một lớp tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Lang muir. Các kiểu II - V là ứng với sự hấp phụ vật lí nhiều lớp và tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Brunauer - Emmelt - Teller, gọi tắt là phương trình BET. Gọi S0 là phần bề mặt tự do, S1 - phần bề mặt bị che phủ bởi một lớp, S2 - phần bề mặt bị che phủ bởi hai lớp, Si - i lớp chất hấp phụ. Như vậy bề mặt chung sẽ là: S = S0 + S1 + S2 + … + Si (I.8) Khi sự hấp phụ đạt trạng thái cân bằng thì tốc độ hấp phụ lên bề mặt S0 bằng tốc độ giải hấp từ bề mặt S1 do đó đối với lớp thứ nhất (i = 1), ta có: a1pS0 = (I.9) Trong đó: P - áp suất chất bị hấp phụ. Q1 - Nhiệt hấp phụ ở lớp thứ nhất. a1, b1 - Các hằng số. Với các lớp hấp phụ i bất kì ta cũng viết được các đẳng thức tương tự (I.9). Từ lớp thứ hai trở đi (i > 1) các hệ số. ai = a , bi = b và nhiệt hấp phụ Qi bằng nhiệt ngưng tụ hay nhiệt hoá lỏng QL vì vậy đối với các lớp i > 1 ta có: (I.10) Với thì (I.10) trở thành. (I.11) Mặt khác, có thể chứng minh x = p/p0. Trong đó: P0 áp suất hơi bão hoà của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng. Thực vậy, trên bề mặt W của chất lỏng, tốc độ ngưng tụ bằng tốc độ bay hơi, do đó: Từ đó suy ra: Hoặc (I.12) So sánh (I. 11) và (I.12) ta có: x = (I.13) Tỉ số được gọi là áp suất tương đối. Riêng đối với lớp hấp phụ thứ nhất, từ (I.9) ta có: (I.14) So sánh (I.14) và (I.11) rút ra: = cx (I.15) Với C = (I.16) Dựa vào các biểu thức (I.15) và (I.11) ta có thể biểu diễn các bề mặt Si qua S0. S0 = S0. S1 = S0 cx. S2 = S1x = S0 cx2. S3 = S2x = S0cx3 ……………. Si = Si-1x = S0cxi. ắắắắắắắắắắắắắắắắắ S = = (I.17) Nếu kí hiệu d là bề dày một lớp đơn phân tử thì thể tích vi của i lớp hấp phụ sẽ bằng: v0 = 0 v1 = S1d = S0cxd v2 = 2S2d = 2S0cx2d v3 = 3S3d = 3S0cx3d …………………….. vi = iSid = iS0cxid ắắắắắắắắắắắắắắắắắ v = = (I.18) Chia (I.18) cho (I.17) được: hoặc v = (I.19) Trong đó: vm = Sd là thể tích lớp hấp phụ đơn phân tử trên toàn bộ bề mặt S. Thay x = trong hệ thức (I.19), biến đổi và rút ra: (I.20) Phương trình (I.20) là phương trình BET. a. Nếu số lớp hấp phụ không phải vô tận mà bị giới hạn bởi n lớp (trường hợp sự hấp phụ xảy ra trong các mao quản của chất hấp phụ xốp) thì thuyết BET dẫn đến phương trình tổng quát: v = (I.21) Giá trị của hằng số c của biểu thức (I.16) trong phương trình BET quyết định hình dạng của các đường hấp phụ đẳng nhiệt. Hình H.11: Các đường hấp phụ đẳng nhiệt ứng với các giá trị khác nhau các hằng số c 1. c = 1; 2. c = 11; 3. c = 100; 4. c = 10000. Đường thẳng nhiệt kiểu I hình (H.10) là ứng với sự hấp phụ một lớp, các đường đẳng nhiệt kiểu II - V là ứng với sự hấp phụ nhiều lớp. Từ phương trình (I.16) ta thấy, hệ số c càng lớn nếu Q1 càng lớn hơn QL, khi này đường thẳng nhiệt càng đi sát trục tung và điểm uốn càng rõ nét. Ngược lại, nếu hệ số C đ 0 (Q1 >> QL) thì đường đẳng nhiệt có khuynh hướng bám sát trục hoành hình ( H.10). Sự khác nhau giữa các đường đẳng nhiệt kiểu II, III và IV, V là ở chỗ hai kiểu đầu (II, III) ứng với sự hấp phụ trên bề mặt không xốp khi n đ Ơ, còn lại (IV, V) ứng với sự hấp phụ trên chất hấp phụ xốp khi số lớn n là hữu hạn. b. Phương pháp BET hiện nay được xem như phương pháp tốt nhất để xác định diện tích bề mặt. Tuy nhiên, thuyết này cũng có nhược điểm: - Đó là giả thiết về tính đồng nhất của bề mặt. - Thuyết này chỉ tính đến tính tương tác các phân tử theo hướng thẳng góc với bề mặt mà bỏ qua tương tác ngang. I.4.6. ảnh hưởng của nhiệt độ. I.4.6.1. Nhiệt hấp phụ. Quá trình hấp phụ là một quá trình thường toả nhiệt và dòng khí đi qua, do đó nó có ảnh hưởng không tốt đến quá trình hấp phụ. Quá trình này xảy ra tốt hơn ở nhiệt độ thấp. Trong thực tế, nhiệt hấp phụ của các chất hữu cơ không phụ thuộc vào nhiệt độ mà chỉ phụ thuộc vào lượng hơi bị hấp phụ. Công thức tính hoạt độ a đối với hấp phụ khí và hơi được biểu diễn ở (I.17). (I.17) Trong đó: W0 - Thể tích của không gian giới hạn hấp phụ. b - Thể tích một milimol khí ở trạng thái bị hấp phụ, cm3/mmol. ba - Hệ số aphin B - Hằng số. TK, PK - Nhiệt độ và áp suất tới hạn. Ngoài ra ta có thể tính nhiệt hấp phụ của một số chất như benzen, Ete etylic, Rượu metylic, Cacbon tetra clorua… Theo công thức sau: q = m. Xn (I.18) Trong đó: q - Nhiệt hấp phụ, KJ/kg than. X - Lượng hơi nước hấp phụ, l/kg than. m, n - là các hằng số cho trước. Tuy nhiên, khi không có số liệu thực nghiệm thì nhiệt độ hấp phụ (tính cho 1 mol khí) được xác định theo công thức gần đúng sau: (I.19) Trong đó: q - Nhiệt hấp phụ, J/mol khí. TS - Nhiệt độ, sôi của chất bị hấp phụ ở áp suất khí quyển, 0K. Hằng số q/ phụ thuộc vào chất hấp phụ. Ngoài ra nhiệt hấp phụ cũng có thể tính theo công thức sau đây: , J/Kmol (I.20) Trong đó: P1, P2 - áp suất cân bằng của chất bị hấp phụ trên chất hấp phụ ở nhiệt độ T1 và T2 tính theo 0K. I.4.6.2. Nhiệt trong quá trình tái sinh. Ta xét với quá trình hấp phụ nước (sấy khí). Để tách chất khí bị hấp phụ ra khỏi chất hấp phụ ta cần sử dụng một tác nhân nào đó để thực hiện quá trình này. Hình H.12. Chế độ nhiệt độ trong thiết bị tái sinh theo thời gian. Trên hình (H.12) biểu diễn chế độ nhiệt trong thiết bị tái sinh theo thời gian. Trong đó: 1- Nhiệt độ khí tái sinh ở đầu vào thiết bị hấp phụ. 2- Sự thay đổi nhiệt độ ở đầu ra thiết bị hấp phụ khi tái sinh và làm nguội. 3- Nhiệt độ khí tái sinh ở đầu vào thiết bị gia nhiệt (nhiệt độ sấy khí). A - B- Chu kỳ quy trình tái sinh làm và nguội. Trong đoạn thứ nhất nhiệt độ khí tái sinh đi ra khỏi lớp chất hấp phụ được thay đổi từ T1 đến T2. Nhiệt độ tính toán trung bình trong khoảng này bằng và được biểu diễn bằng được gạch nối trên hình vẽ. Trong khoảng này nhiệt độ tiêu hao chủ yếu để đun nóng vật liệu lớp chất hấp phụ và thiết bị. Khoảng thời gian là TA. Trong đoạn thứ hai nhiệt độ thay đổi từ T2 đến T3 nhiệt độ trung bình này là TB, trong đoạn này nhiệt tiêu hao chủ yếu cho việc đun nóng chất hấp phụ và các cấu tử bị hấp phụ với thời gian là TB. Trong đoạn thứ ba nhiệt độ khí tái sinh đi ra khỏi lớp chất hấp phụ thay đổi từ T3 đến T4. Khi nhiệt độ khí tái sinh ở đầu ra của lớp hấp phụ đạt được giá trị T4 việc đun nóng khí tái sinh trong lò chấm dứt, nhiệt độ trung bình là TC. Trên đoạn thứ tư, chất hấp phụ được làm lạnh từ nhiệt độ T4 đến T5. I.4.7. Động học của quá trình hấp phụ. Quá trình hấp phụ xảy ra theo ba giai đoạn đó là các giai đoạn: chuyển chất từ lòng pha hơi đến bề mặt ngoài viên, chuyển chất trong lòng hạt và động học quá trình hấp phụ. Để rõ hơn về vấn đề này ta xét từng giai đoạn riêng biệt của quá trình. I.4.7.1. Chuyển chất từ pha hơi đến bề mặt ngoài viên. Lượng chất bị hấp phụ truyền đến bề mặt ngoài viên trong một đơn vị thời gian. Theo định luật cấp khối ta có: m = b. Fh (C0 - CB) (I.21) Trong đó: Fh - bề mặt ngoài của viên. C0, CB - nồng độ chất trong pha và ở sát bề mặt viên. b - Hệ số cấp khối, tính theo biểu thức: Sh = 2,0 + 1,1. (I.22) Trong đó: Sh = , chuẩn số Shewood (I.23) , Chuẩn số Shmidt (I.24) (I.25) Trong đó: n - tốc độ pha lỏng (hơi) chảy qua lớp. Cùng với quá trình truyền chất qua lớp giới hạn hướng vào viên còn có quá trình truyền nhiệt hấp phụ ra khỏi bề mặt hạt. Lượng nhiệt tỉ lệ với lượng chất. Q = m.Cp (TB - TA) = m.DH (I.26) Hay Q = b. Fh. (C0 - Cb) . DH (I.27) Và quá trình cấp nhiệt từ bề mặt ra: Q = a. Fh. (T - T) (I.28) Trong đó: a - Hệ số cấp nhiệt, và nó được tính theo biểu thức sau: (I.29) Từ (I.27) và (I.28) ta có: (I.30) Hay (I.31) Trong đó: b ; dm - chiều dày màng. Pr = , chuẩn số Pran. l - Khối lượng riêng; C - Nhiệt lượng. r - Hệ số dẫn nhiệt. D - hệ số khuếch tán của pha hơi. Đối với hấp phụ khí: á 5 thường lớn. Do vậy, DT ngay cả DC nhỏ, hạt nóng hơn khí nhiều. I.4.7.2. Chuyển chất trong mao quản. Đây là một quá trình rất phức tạp. - Với mao quản đường kính lớn hơn quãng đường tự do trung bình của phân tử diễn ra khuếch tán phân tử. - Với mao quản nhỏ thì khuếch tán KnudSen chiếm ưu 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 như 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 = (I.32) Trong đó: l - độ dài thật của một mao quản (I.33) Nếu thay l bằng độ dài này của vật liệu xốp mao quản L, dòng trung bình trên toàn mặt sẽ là: (I.34) Trong đó: De – Hệ số khuếch tán hiệu dụng. Nếu gọi độ xốp là e thì: J = e. Jp (I.35) Với JP là dòng trong các mao quản. Lượng chất chuyển từ vị trí này đến vị trí kia không đổi nếu cùng khoảng thời gian. (I.36) (I.37) Mà (I.38) Với T2 = 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 bước cuối cùng diễn ra do tương tác của bề mặt và chất bị hấp phụ là các lực vật lí. Độ mạnh tương 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, như màng chất lỏng tạo nên trở lực chủ yếu của giai đoạn này. Tuy nhiên, trở lực của hai giai đoạn trước thường giữ vai trò kiểm soát. Trong điều kiện ổn định thì cân bằng vật chất trên bề mặt viên như sau: (I.39) rb – bán kính của viên. Biến đổi, nhân rb. (I.40) (I.41) = B. iD: chuẩn số Bio trong chuyển khối. Giá trị B. iD nói lên tương 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: a(Tb – T0) = l. (I.42) (I.43) Trong đó: : Chuẩn số Bio trong nhiệt Trong thiết bị hấp phụ, nhiệt được truyền ngược 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. Chương II: Công nghệ II.1. Các phương pháp sấy khô khí. II.1.1. Phương pháp hấp thụ. Hấp thụ là sự hút khí vào trong lòng các chất lỏng hoặc chất rắn, hiện tượng này xảy ra trong toàn bộ thể tích của chất hấp thụ. Hấp thụ có thể kèm theo tương tác hoá học. Phương pháp hấp thụ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp sấy khô khí tại các công trình ống dẫn khí cũng như trong các nhà máy chế biến khí. Chất hấp thụ thường được sử dụng là các dung dịch nước đậm đặc của mono etanolamin (MEA) dietylenglycol (DEG), trietylen glycol (TEG), Phương pháp tách hơi nước và hạ nhiệt độ điểm sương 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 nước trong khí và trong chất hấp thụ. Tuy nhiên, các chất hấp thụ dùng để sấy khí phải đáp ứng được những yêu cầu sau: - Có khả năng hấp thu hơi nước 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 nước 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 trường. - 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 lượng hoá lý EG DEG TEG PG Khối lượng phân tử 62,07 106,12 150,18 76,09 Tỷ trọng tương đối 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. Phương 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). Phương pháp hấp phụ cho phép đạt điểm sương theo ẩm trong khoảng 100 á 2000c và sấy. Sâu khí đến điểm sương – 85 á -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 lượng ẩm từ khí ở nhiệt độ tương đối thấp và sau đó tách ẩm khi tăng nhiệt độ. Trong phương 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 nước) 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 thường 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 được sử dụng để sấy khí tự nhiên và khí đồng hành ( xem ở Bảng I.2) Với phương pháp hấp phụ này thì các chất hấp phụ phải đáp ứng được các yêu cầu như. - Các chất hấp phụ này phải có cấu trúc xốp. - Có các tâm axit. - Dễ tạo viên - Chịu được nước. - Dễ hoàn nguyên - Không độc hại và gây ăn mòn. - Rẻ, dễ tìm. II.1.3. Lựa chọn phương pháp. Hai phương pháp hấp thụ và hấp phụ thường được 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 phương pháp hấp thụ. - Ưu điểm của phương pháp này là độ hút ẩm cao, độ bền cao khi có mặt các hợp chất lưu huỳnh, oxy và CO2 (DEG, TEG), dung dịch đậm đặc không bị đông đặc (DEG), khí tái sinh thu được 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). - Nhược điểm của phương pháp này lại là sự tiêu ha do thất thoát lớn (DEG, MEA), đòi hỏi chi phí đầu tư cao (TEG, DEG), dễ gây ăn mòn kim loại ở nhiệt độ tái sinh và điểm sương của khí thấp (MEA). Với phương pháp hấp phụ: - Ưu điểm của phương pháp này là có thể sấy khí khi cần với độ hạ điểm sương tới 1000C á 1200C và khí sau khi sấy có điểm sương rất thấp -850C á -1000C do đó việc tách hơi nước trong khí tự nhiên và khí đồng hành triệt để hơn phương 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 ưu điểm này em lựa chọn phương pháp sấy hấp phụ với chất hấp phụ là g - Al2O3 do phương pháp này phù hợp với đề tài và quan trọng hơn là khí thu được sau khi sấy có điểm sương rất thấp -850C á -1000C, độ giảm hàm lượng ẩm có trong khí cao. II.2. Công nghệ sấy khí bằng phương 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 được trình bày trên hình (H.13) Hình H.13. Sơ đồ công nghệ sấy khí với chu trình tái sinh kín Thiết bị điều chỉnh lưu lượng. I. Khí nguyên liệu Tháp phân ly II. Khí đã sấy khô Máy lạnh. III. Nước Tháp hấp phụ. Tháp làm nguội Thiết bị tái sinh Thiết bị gia nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt 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 dưới. ở đây ta thu được khí đã sấy khô, một phần được lấy ra ngoài và một phần được đưa vào đỉnh của thiết bị làm nguội (5). Khí đã làm nguội sau khi trao đổi nhiệt với khí đem tái sinh được trộn với khí khô ra ngoài. Khí tái sinh được tuần hoàn trong hệ tái sinh sau khi qua trao đổi nhiệt với khí làm nguội được đưa 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 được làm lạnh và đưa đến thiết bị phân lý (2) nước được tách ra ở đáy ở đỉnh khí được 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 người ta đã đưa ra rất nhiều phương án khác nhau cùng với các công nghệ. Sau đây là một số phương án hay được sử dụng nhất. II.2.2.1. Phương án 1. a. Sơ đồ công nghệ. Sơ đồ công nghệ của phương án 1 được thể hiện trên hình (H.14). Hình H.14. Sơ đồ công nghệ phương án 1. Thiết bị điều chỉnh lưu lượng Thiết bị phân ly Máy lạnh Tháp hấp phụ Tháp tái sinh Tháp làm nguội Thiết bị gia nhiệt I. Khí nguyên liệu. II. Khí đã sấy III. Nước b. Nguyên lý làm việc. Khí nguyên liệu được đưa vào tháp hấp phụ (4) với lưu lượng được điều chỉnh nhờ thiết bị (1). Tại đây xảy ra quá trình hấp phụ khí ẩm đi từ trên xuống, ở đáy ta thu được khí đã sấy khô. Một phần khí ẩm ban đầu qua thiết bị làm nguội (6), khí sau khi qua thiết bị làm nguội được đưa 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 được khí tái sinh có chứa một lượng ẩm cho qua thiết bị làm lạnh (3) rồi đến thiết bị phân ly (2), tại đây nước được ngưng tụ và tách ra ở đáy ở đỉnh ta thu được khí khô lẫn ít nước, được tuần hoàn trộn với khí ban đầu. II.2.2.2. Phương án 2. a. Sơ đồ công nghệ. Sơ đồ công nghệ của phương án 2 được thể hiện trên hình (H.15) Hình H.15. Sơ đồ công nghệ phương án 2. Thiết bị điều chỉnh Thiết bị phân ly Thiết bị làm lạnh Tháp hấp phụ Tháp tái sinh Tháp làm nguội Thiết bị gia nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt I. Khí nguyên liệu II. Khí đã sấy III. Nước b. Nguyên tắc hoạt động. Khi nguyên liệu được đưa vào thiết bị hấp phụ (4) với lưu lượng được điều chỉnh nhờ thiết bị (1).Tại đây quá trình hấp phụ xảy ra. Khí ẩm đi từ trên xuống dưới ở đáy ta thu được 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 được gia nhiệt đến nhiệt độ tái sinh và đưa 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) nước được tách ra ở đáy (2). Khí khô ở đỉnh cho vào thiết bị làm nguội (6) khí được làm nguội trao đổi nhiệt với khí ẩm đem tái sinh rồi quay về trộn với khí ban đầu. II.2.2.3. Phương án 3. a. Sơ đồ công nghệ của phương án 3 được thể hiện trên hình (H.16) Hình H.1

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docDA0510.DOC