Đề tài Sấy khô khí bằng phương pháp hấp thụ dùng MEG

êu chuẩn kỹ thuật là một nhiệm vụ bắt buộc để đảm bảo khả năng hoạt động ổn định và hiệu quả của các dây chuyền công nghệ chế biến các sản phẩn khí sau này. Khí được sấy khô với mục đích tách hơi nước và tạo ra cho khí có nhiệt độ điểm sương theo nước thấp hơn với nhiệt độ cực tiểu mà tại đó khí được vận chuyển hay chế biến. Do vậy, trong phạm vi của đồ án này, chúng ta sẽ tính toán các thông số tháp của quá trình làm khô khí bằng phương pháp Hấp thụ dùng MonoEtylenGlycol (MEG). Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo, TS. Nguyễn Danh Nhi, Bộ môn Lọc Hóa Dầu, Đại Học Mỏ Địa Chất đã giúp em hoàn thành đồ án này. Trong quá trình thực hiện đồ án không thể tránh khỏi những sai sót, mong thầy đóng góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện. Hà Nội, ngày 02 tháng 11 năm 2011 SV. Bùi Quang Hiếu Chương I - Tổng quan về quá trình công nghệ sấy khô khí Cơ sở lý thuyết Hydrat là những hợp chất có thể tồn tại một cách bền vững dưới dạng tinh thể. Thực chất là những dung dịch rắn, trong đó các phân tử nước dung môi nhờ các liên kết hydro tạo thành “khung” hydrat. Trong các khoang của khung này các phân tử khí có khả năng tạo hydrat như metan, etan, propan, isobutan, nitơ, H2S, CO2, argon sẽ chiếm chỗ. Các hydrocacbon với phân tử của nó có thể xâm nhập vào “khung” cùng với các phân tử khí có kích thước nhỏ hơn, dẫn tới thay đổi áp suất cân bằng trên các hydrat. Mức độ chiếm chỗ trong khung của các phân tử khí tạo hydrat đối với thành phần khí đã cho chủ yếu phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ của hệ. Các tinh thể hydrat hình thành trên bề mặt phân chia pha của hệ khí-nước. Nước tự do còn lại sau khi đã hình thành các hydrat chỉ tiếp tục chuyển thành trạng thái hydrat khi có sự khuấy trộn các pha và khi có những điều kiện nhiệt động thích hợp. Khi không có sự khuấy trộn thì quá trình khuếch tán của khí qua lớp màng cứng của các hydrat rất khó khan và sự phát triển liên tục của các hydrat sẽ không xảy ra. Điều kiện hình thành các hydrat ngoài ra còn phụ thuộc vào hàm lượng của muối có trong nước, hàm lượng của chúng tăng sẽ dẫn đến giảm nhiệt độ bắt đầu tạo thành hydrat. Nhiệt độ này cũng phụ thuộc vào thành phần khí, ví dụ nhiệt độ bắt đầu tạo thành hydrat của metan khi có mặt propan, CO2, H2S sẽ thấp hơn so với khi vắng mặt các chất này. Hình dạng của hydrat rất đa dạng, nó được xác định bởi thành phần khí và các điều kiện nhiệt động học. Thông thường về hình dạng chúng giống như nước đá hay tuyết âm nén. Nhằm ngăn ngừa sự hình thành các hydrat người ta sử dụng rộng rãi phương pháp ức chế tức là phương pháp đưa vào dòng khí các chất khác nhau gọi là các chất ức chế làm hạ nhiệt độ tạo thành hydrat như methanol, glycol và phương pháp làm khô (tách nước) khí dựa trên cơ sở tách hơi nước ra khỏi khí bằng các chất hấp thụ lỏng hoặc rắn. Phương pháp ức chế: thực chất là cho chất ức chế vào dòng khí ẩm, chất ức chế sẽ tan trong nước tự do, kết quả là làm giảm áp suất hơi nước và hạ nhiệt độ tạo thành hydrat. Hiện nay các chất ức chế ngăn ngừa sự tạo thành hydrat thông dụng nhất là: Sử dụng chất ức chế là methanol, cần có khu vực khử hydrat và khu vực khử axit. Sử dụng chất ức chế glycol Trong thực tế thường sử dụng các loại glycol: EG, DEG,TEG với nồng độ khoảng 60 - 80 % khối lượng. Việc lựa chọn một loại glycol sử dụng đạt hiệu quả cao chomột quá trình xử lý khí nào đó phụ thuộc vào : T đông đặc và độ nhớt của dung dịch glycol ; độ hạ T tạo hydrate đối với nồng độ glycol đã cho ; khả năng hòa tan của glycol trong HC ngưng tụ ; thành phần khí. Độ hạ T điểm sương của khí phụ thuộc vào loại chất ức chế,nồng độ của nó và T khí tiếp xúc với chất ức chế . Những ưu điểm mà các glycol có được Glycol Metanol Không gây độc với người và môi trường. Gây độc hại với người và môi trường. Có áp suất hơi bão hòa rất thấp và có khả năng thu hồi rất cao bằng phương pháp vật lí đơn giản là cô đặc các dung dịch nước chứa glycol. Áp suất hơi bão hòa cao do vậy khó tách ra khỏi dòng khí, việc tái sinh nó rất phức tạp nên việc tiêu hao chất ức chế là lớn. Nhiệt độ sôi cao nên khó bị bay hơi. Tránh mất mat khỏi thiết bị. Nhiệt độ sôi thấp nên khả năng thất thoát là rất cao. Không gây ăn mòn cho thiết bị. Một số phân xưởng đôi khi cần thiết kế thêm các thiết bị loại axit có thể sinh ra. Phương pháp hấp phụ: các phương pháp hấp phụ cho phép đạt điểm sương theo ẩm trong khoảng 100–200oC và sấy sâu khí đến điểm sương -85 ÷ -100oC. Các chất hấp phụ có thể chia thành : Boxit là khoáng thiên nhiên chứa chủ yếu là oxit nhôm ; oxit nhôm hoạt hóa là Boxit đã làm sạch ; các loại Gel là những hợp chất cấu tạo từ oxit silic và alumogel ; các rây phân tử là các zeolite. Các chất hấp phụ có bề mặt riêng rất lớn ( 500-800 m2/g ) và bề mặt này được tạo thành từ các mao quản hay mạng tinh thể. Các quá trình hấp phụ có thể thực hiện gián đoạn trong các thiết bị với tầng thấp hấp phụ cố định hoặc liên tục với các thiết bị chứa các lớp hấp phụ chuyển động. Tuy nhiên các quá trình liên tục rất ít khí được sử dụng do các thiết bị công nghệ rất phức tạp. Phương pháp thẩm thấu khí: Cho đến nay, quá trình dehydrat hóa bằng thẩm thấu khí hầu như không còn được sử dụng trong công nghiệp xử lý khí nữa do những yêu cầu kỹ thuật quá cao của quá trình. Để déshydrat hóa khí bằng thẩm thấu phải lựa chọn những hợp chất cao phân tử thích hợp có αij rất lớn, khoảng 200.000 (với loại màng mỏng đồng thể và không hề có khuyết tật) và khoảng 300 ÷ 500 (với loại chùm sợi rỗng). Hơn nữa, phải chấp nhận một lượng C1 thẩm thấu qua màng lọc để màng lọc được chọn có bề mặt riêng không quá lớn. Phương pháp hấp thụ: phương pháp hấp thị được sử dụng rộng rãi để sấy khô khí tại các công trình ống dẫn khí cũng như trong các nhà máy chế biến khí. Chất hấp thụ sấy khô là những dung dịch nước đậm đặc của mono- , di- và trietylenglycol. Sự sấy khô khí bằng các chất hấp thụ này dựa trên sự khác biệt về áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí và trong chất hấp thụ. Giá trị điểm sương của khí được đảm bảo bằng dung dịch Glycol. So sánh ưu nhược điểm của các dung môi hấp thụ nước: Ưu điểm Nhược điểm MEG Ít tan trong khí ngưng tụ. Dung dịch đậm đặc không bị đông đặc. Độ nhớt thấp tăng khả năng tiếp xúc với hỗn hợp khí. Có khả năng ngăn ngừa tạo hidrat cao hơn DEG và TEG Áp suất hơi bão hòa cao hơn DEG và TEG. Nhưng độ hòa tan trong HC cao hơn DEG và TEG DEG Độ hút ẩm cao, khá bền khi có mặt các hợp chất lưu huỳnh, O2 và CO2 ở nhiệt độ thường. Dung dịch đậm đặc không bị đông đặc. ở nhiệt độ cao có độ chọn lọc cao Tiêu hao do thất thoát cao hơn TEG. Khi tái sinh khó thu được DEG nồng độ >95%. Điểm sương thấp hơn so với TEG. Giá thành cao TEG Độ hút ẩm cao. Tạo điểm sương cho khí sấy cao (27.8 – 47.3oC) độ bền cao khi có mặt các hợp chất lưu huỳnh, O2 và CO2 ở nhiệt độ bình thường. Khi tái sinh dễ thu được nồng độ cao >99%. Dung dịch không bị đông đặc. Độ bay hơi TEG thấp hơn DEG Đòi hỏi chi phí đầu tư cao. Dung dịch TEG có khả năng tạo màng khi có mặt các HC nhẹ. Độ hòa tan của các HC nhẹ trong TEG cao hơn DEG Metanol Giá thành rẻ. Được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống vận chuyển. Điều kiện thường dung dịch đậm đặc không bị đông đặc. Có độ nhớt thấp nhất nên khả nẳng tiếp xúc với hỗn hợp khí là cao hơn các glicol Có áp suất riêng phần cao lên khó tách ra khỏi khí khi tái sinh. Tiêu hao lớn Đặc tính vật lý của các Glycol và Metanol (dùng làm khô khí) ĐẶC TÍNH VẬT LÝ MEG DEG TEG TREG METANOL Công thức HC-CH2-CH2-OH HO-(CH2-CH2-O)2-H HO-(CH2-CH2-O)3-H HO-(CH2-CH2-O)4-H CH3OH KLPT 62.1 106.1 150.2 194.2 32.04 Điểm sôi ở áp suất 760mmHg, (oC) 197.3 224.8 285.5 314 64.5 Áp suất hơi ở 25oC, (mmHg) 0.12 <0.01 <0.01 <0.01 120 Khối lượng riêng ở 25oC, (g/ml) 1.110 1.113 1.119 1.120 0.790 Khối lượng riêng ở 25oC, (pound/usgall) 9.26 9.29 9.34 9.34 6.59 Điểm đông đặc, (oC) -13.3 -8.3 -7.2 -5.6 -97.8 Độ nhớt động lực (cP) 25oC 16.5 28.2 37.3 44.6 0.52 60oC 4.68 6.99 8.77 10.2 - Sức căng bề mặt ở 25oC (dyn/cm) 47 44 45 45 22.5 Chỉ số khúc xạ ở 25oC 1.430 1.446 1.457 1.457 20.328 Nhiệt dung riêng ở 25oC (kj/kg.oC) 0.75 0.71 0.69 0.67 0.78 Điểm chớp cháy cốc kín (oC)(flash point) 115.6 123.9 1.769 204.4 12.0 Điểm chớp cháy côc hở (oC) (fire point) 118.3 143.3 165.6 190.6 - Nhiệt độ phân hủy oF 329 328 404 460 - oC 165 206.7 206.7 237.8 - Sơ đồ nguyên tắc công nghệ sấy khô khí bằng phương pháp hấp thụ dùng Glycol [1] Thiết bị Dòng vật chất 1. Tháp hấp thụ I. Khí nguyên liệu ẩm 2, 4. T.Bị Trao đổi nhiệt II. Khí đã làm khô 3. TB thổi khí để tách HC hòa tan III. Dòng glycol giàu 5. Tháp tái sinh IV. Dòng khí thổi ra 6. TB gia nhiệt V. Dòng glycol bổ sung nếu cần 7. TB làm nguội VI. Dòng glycol tái sinh (glycol nghèo) 8. Bồn chứa VII. Dòng hơi nước (chứa 1 ít glycol) 9. Bơm Điều kiện hoạt động - Tháp hấp thụ (1): + Nhiệt độ thấp (15 – 38oC) + Áp suất cao (60 – 85 bar) - Tháp tái sinh (5): + Nhiệt độ cao: Tđỉnh (115oC) ≤ Tđáy ≤ Tp.hủy glycol + Áp suất thấp (1 – 1.2 bar) Chương II - Tính toán các thông số cơ bản của tháp làm khô khí bằng phương pháp hấp thụ dùng MonoEtylenGlycol Dữ liệu ban đầu [3] Thành phần khí : Cấu tử C1 C2 C3 n-C4 i-C4 n-C5 n-C6 N2 He %V 82.0 4.7 3.8 2.5 2.8 1.5 1.2 1.0 0.5 Nhiệt độ khí nguyên liệu : 50oC Lưu lượng khí nguyên liệu : 5.106 (std m3/ngày đêm) Áp suất khí nguyên liệu : 68 bar Áp suất khí khô : 66 bar Điểm sương khí khô : 10oC Chất hấp thụ MEG (Mono Etylen Glycol) Lưu lượng riêng chất hấp thụ 30 (Kg/Kg H2O) Yêu cầu tính Nồng độ tối thiểu của Glycol Lượng dung dịch tuần hoàn/h (kg/h, kmol/h) Số đĩa lý thuyết của tháp Đường kính tháp Chiều cao tháp Các bước tính toán [1] Bước 1 : Cụ thể hóa các số liệu ban đầu Lưu lượng khí nguyên liệu V = 5.106 std m3/ngày đêm = 208333,33 std m3/h Áp suất khí nguyên liệu 68 bar = 6,8 MPa Áp suất khí khô 66 bar = 6,6 MPa Khối lượng phân tử trung bình của khí nguyên liệu M=iMi*Ci Trong đó : Mi khối lượng phân tử của cấu tử i Ci phần trăm cấu tử i Suy ra, M = 21,68 đvC Bước 2 : Xác định nồng độ Glycol tái sinh tối thiểu Dựa vào nhiệt độ tiếp xúc (được nhận bằng nhiệt độ của khí cần sấy khô) và điểm sương của khí đã sấy khô để xác định nồng độ của Glycol tái sinh tối thiểu αmin cần để thu được điểm sương cho trước của khí thông qua sơ đồ hình II.5 (trang 96 – [1]), giản đồ này phản ánh các giá trị cân bằng, mà trong điều kiện thực tế không đạt được, nên để xác định nồng độ Glycol theo đồ thị này ta phải nhận điểm sương của khí thấp hơn giá trị đã cho 5-8oC. Ta chọn nhiệt độ điểm sương thấp hơn giá trị đã cho 5oC, tức nhiệt độ điểm sương là 5oC. Dựa vào đồ thị hình II.5 suy ra : Nồng độ Glycol tái dinh tối thiểu αmin = 96% Bước 3 : Xác định hàm ẩm của khí cần sấy khô Dựa vào đồ thị hình II.1 (trang 90 – [1]) hoặc sơ đồ IV.1a (trang 79 – [2]) ta xác định hàm ẩm của khí cần sấy khô w1 và của khí đã sấy khô w2 Với khí nguyên liệu ở điều kiện T = 50oC ; 6,8 Mpa w1 = 1,80 g/m3 = 0,0018 (kg/m3) Với khí khô ở áp suất 6,6 MPa và có nhiệt độ điểm sương là 10oC w2 = 0,21 g/m3 = 0,00021 (kg/m3) Bước 4 : Tính lưu lượng chất hấp thụ tái sinh L1 = V.(w1 – w2).l (kg/h) Trong đó: V là thể tích khí nguyên liệu (std m3/h) l là lưu lượng riêng chất hấp thụ (kg/kg H2O) w1 , w2 là hàm ẩm của khí cần sấy khô và khí đã sấy khô (kg/ m3 ) Suy ra, L1 = 208333,33*(0,0018 – 0,00021 )*30 = 9937,5 (kg/h) Bước 5 : Tính nồng độ Glycol bão hòa xác định theo phương trình cân bằng vật chất dựa trên độ ẩm trong pha lỏng và khí α2=L1α1L1+w1-w2V Ta chọn nồng độ ban đầu của dung dịch Glycol là α1 = 96,5 % lớn hơn nồng độ tối thiểu của Glycol là αmin = 96% Từ đó suy ra : α2=L1α1L1+w1-w2V= 9125*96,59937,5+0,0018-0,00021*208333,33=93,4% Bước 6 : Tính lượng dung dich Glycol bão hòa sau khi hấp thụ L2 =L1+w1-w2V L2 =9937,5+0,0018-0,00021*208333,33=10268,74 (kg/h) Mặt khác, khối lượng phân tử trung bình Mtb của dung dịch glycol bão hòa có thể coi xấp xỉ bằng: 0,934*62 + (1 – 0.934)*18 = 59,09 đvC Suy ra, L''=10268,7459,09=173,78 (kmol/h) Bước 7 : Tính hằng số cân bằng theo phương trình K=w2{1-α1M0+18α1}748,44M01-α1 Trong đó M0 là khối lượng phân tử của chất hấp thụ MEG nên M0 = 62 đvC K=0,21*{1-0,965*62+18*0,965}748,44*62*1-0,965=2,53.10-3 Bước 8 : Xác định yếu tố hấp thụ A theo công thức A= L'KV' Trong đó : L’ là lưu lượng lỏng dung môi vào tháp tính ra Kmol/h V’ lưu lượng khí cần làm khô tính ra Kmol/h Xác định L’ từ L1 : theo tính toán ở trên ta có L1 = 9937,5 (kg/h). Khối lượng phân tử trung bình của dung môi hấp thụ được tính theo công thức: Mtb= 0,965*62 +1-0,965*18=60,46 Suy ra, L'=9937,560,46=164.36 (kmol/h) Xác định V’: theo trên ta có V = 208333,33 (std m3/h) Suy ra V’ = 208333,3323,6=8827,7 (kmol/h) Vậy : A= 164,362,53.10-3 *8827,7=7,36 Bước 9 : Hệ số tách ẩm thực tế của quá trình hấp thụ φtt=w1-w2w1= 1,8-0,211,8=0,88 Bước 10 : Hệ số tách lý thuyết khi tính toán có chú ý đến lượng nước trong glycol tái sinh φlt=φtt*Yn+1Yn+1-K*X0 Trong đó : X0 là nồng độ phần mol của nước trong chất hấp phụ tái sinh X0=1-α1181-α118+α162= 1-0,965181-0,96518+0,96562=0,11 Yn+1 là phần mol nước trong khí cần sấy khô Yn+1=w118×23,6=0,001818×23,6=2,36×10-3 Do đó: φlt=0,88×2,36×10-32,36×10-3-2,53×10-3×0,11=0,998 Bước 11 : Tính số đĩa lý thuyết Ta có: φlt=An+1-AAn+1-1 Trong đó, n – là số đĩa lý thuyết của tháp hấp thụ A – là yếu tố hấp thụ đã tính ở bước 8. Suy ra: nlt=lgφlt-Aφlt-1lgA-1=lg0,998-7,360,998-1lg7,36-1=3,04 Bước 12 : Tính số đĩa thực tế Theo kinh nghiệm thực tế thì hiệu suất làm việc của đĩa là từ 0,25-0,4 Ta chọn hiệu suất làm việc của đĩa là : η = 0,3 ntt= nltη= 3,040,3≈10 đĩa Vậy số đĩa thực tế của tháp hấp thụ là 10 đĩa Bước13 : Tính đường kính tháp hấp thụ D=0,01140,1QTω.P ( m ) Trong đó : T là nhiệt độ làm việc của tháp, lấy bằng nhiệt độ khí nguyên liệu (K) T = 50oC = 323 K P áp suất làm việc của tháp, P = (Pkhí ng.liệu + Pkhí khô)/2 = (6,8 + 6,6)/2 = 6,7 (MPa) ≈ 67 (atm) ω vận tốc tuyến tính của dòng khí trong tháp (0,05-0,15 m/s) Chọn ω = 0,13 m/s Q là lưu lượng khí nguyên liệu, được quy đổi từ điều kiện tiêu chuẩn về điều kiện làm việc của tháp, (m3/s) Theo đầu bài và [4], ta có các dữ liệu trong bảng sau, trong đó Yi là phần mol của các cấu tử trong hỗn hợp khí, Tci và Pci là nhiệt độ và áp suất tới hạn của các cấu tử. Cấu tử C1 C2 C3 nC4 iC4 nC5 nC6 N2 He Yi 0,82 0,047 0,038 0,025 0,028 0,015 0,012 0,01 0,005 Tci (K) 190,4 305,28 369,67 425,01 407,98 469,5 507,2 123,11 5 Yi*Tci 156,13 14,35 14,05 10,63 11,42 7,04 6,09 1,23 0,025 Pci (MPa) 4,61 4,88 4,25 3,8 3,65 3,37 3,01 3,4 0,23 Yi*Pci 3,78 0,23 0,16 0,095 0,10 0,05 0,04 0,03 0,0012 Từ bảng trên, ta tính được nhiệt độ giả tới hạn và áp suất giả tới hạn của hỗn hợp : pTc và pPc pTc = ∑ Yi*Tci = 220,96 (K) pPc = ∑ Yi*Pci = 4,49 (MPa) Vậy, suy ra nhiệt độ và áp suất giả rút gọn của hệ: pTr và pPr pTr = Tlàm việc / pTc = 323/220,96 = 1,46 pPr = Plàm việc / pPc = 6,7/4,49 = 1,49 Dựa vào đồ thị Hình 3.2, trang 52 [4], ta tra được hệ số nén z: z = 0,844 Vậy, với số mol không đổi, trong điều kiện làm việc của tháp, ta có lưu lượng thực là: Q=z