Thiết kế dây chuyền công nghệ sấy khí bằng DEG

ảnh hưởng của hàm ẩm 17 II.2.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp khí vào nhiệt độ tiếp xúc với dung dịch DEG 18 II.2.4 Sự phụ thuộc áp suất hơi bão hoà của dung dịch DEG vào nhiệt độ 19 II.2.5 ảnh hưởng của lượng dung môi đến quá trình hấp thụ 19 ii.3 Công nghệ sấy khí bằng chất hấp thụ DEG 21 II.3.1 Sơ đồ nguyên tắc nguyên tắc công nghệ sấy khô khí bằng DEG 21 II.3.2 Sơ đồ nguyên tắc nguyên tắc công nghệ sấy khô khí với sự tái sinh chân không DEG 22 II.3.3 Sơ đồ nguyên tắc nguyên tắc công nghệ sấy khô khí bằng DEG với sự bổ sung DEG 24 phần II : tính toán thiết kế 26 A - Tính toán thiết kế tháp hấp thụ 26 I. Hàm lượng ẩm của hỗn hợp khí 26 II. Tính lưu lượng chất làm khô DEG lỏng 30 III. Tính cân bằng vật liệu của thiết bị hấp thụ 32 VI. Tính cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị hấp thụ 36 B - Tính toán thiết kế tháp nhả hấp thụ 42 I. Tính cân bằng vật liệu cho tháp nhả hấp thụ 44 II. Tính cân bằng nhiệt lượng cho tháp nhả hấp thụ 51 phần III : tính toán thiết kế thiết bị chính 60 A - Tính toán tháp hấp thụ 60 I. Tính kích thước tháp hấp thụ 60 II. Tính đường kính tháp hấp thụ 62 III. Tính chiều cao tháp hấp thụ 63 B - Tính toán tháp nhả hấp thụ 65 I. Tính số đĩa lý thuyết 65 II. Tính đường kính tháp nhả hấp thụ 66 III. Tính chiều cao tháp nhả hấp thụ 67 phụ lục kết luận tài liệu tham khảo Mở đầu Cùng song song và phát triển với những ngành công nghiệp khác thì ngành dầu khí Việt Nam cũng đã phát triển và đang trên đà phát triển mạnh, ngày càng cao hơn với những kỹ thuật - khoa học. Những nhà máy hiện đại ra đời như nhà máy sử lý khí Dinh Cố, nhà máy sử lý khí đầu tiên của nước ta đã chính thức đi vào hoạt động từ tháng 12 năm 1998 cung cấp khí dầu mỏ hoá lỏng (LPG) phục vụ cho công nghiệp và cho dân dụng. Các dự án khí - điện - đạm số 1 ở Vũng Tàu, dự án khí - điện - đạm số 2 ở Cà Mau đã và đang triển khai thực hiện nhằm sử dụng có hiệu quả nguồn nguyên liệu khí tự nhiên, khí đồng hành của đất nước. Kỹ thuật khí hoá nhiên liệu lỏng và kỹ thuật chế biến khí thiên nhiên, khí dầu mỏ là những ngành kỹ thuật phát triển mạnh ở những năm gần đây, đặc biệt là sau đại chiến Thế Giới lần thứ 2. Hiện nay hầu hết các nước công nghiệp tiên tiến trên Thế Giới đã xây dựng hàng nghìn nhà máy công suất lớn để chế biến khí tự nhiên và khí dầu mỏ. Sở dĩ ngành công nghiệp này phát triển mạnh như vậy vì những nguyên nhân sau: ở nhiều nước trên Thế Giới đặc biệt là Liên Xô, và một số nước khác tìm thấy nhiều mỏ khí thiên nhiên, khí dầu mỏ có trữ lượng lớn nên đó là nguồn nguyên liệu rẻ tiền giá thành hạ. Sản phẩm thu được từ quá trình chế biến khí tự nhiên và dầu mỏ có chất lượng cao nhờ chế độ kỹ thuật ở đây khống chế khá chặt chẽ. Quá trình chế biến khí tự nhiên, khí dầu mỏ được tiến hành trong một pha gọi là pha khí nên rất dễ cơ khí hoá và tự động hoá, năng suất lao động cao. Khí dầu mỏ, khí tự nhiên là những nguyên liệu rất quý đẻ sản xuất các hợp chất hữu cơ và một phần các hợp chất vô cơ quan trọng cho nền kinh tế quốc dân và quốc phòng đó là nguồn nguyên liệu quý giá nhất cho tổng hợp hoá học. Sấy khô nhằm để tách nước là quá trình quan trọng để tách khí, thu được khí khô trước khi được chế biến sâu hơn, sấy khí là quá trình được sử dụng đầu tiên trong dây chuyền công nghệ chế biến khí. Phần I : Tổng quan Chương I : Phần lý thuyết cơ bản. I.1. Khái niệm chung về sấy khí. Khí đồng hành và khí tự nhiên khai thác từ lòng đất thường bão hoà hơi nước, hàm lượng hơi nước phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, thành phần hoá học của khí. Mỗi một giá trị nhiệt độ, áp suất sẽ tương ứng với hàm lượng hơi nước cực đại có thể có nhất định. Hàm lượng ẩm tương ứng với hơi nước bão hoà tối đa gọi là cân bằng. người ta phân chia độ ẩm của không khí thành độ ẩm tương đối và tuyệt đối. Độ ẩm tuyệt đối của không khí là khối lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích hoặc đơn vị khối lượng khí (đo bằng g/m3 hoặc g/Kg khí). Độ ẩm tương đối là tỷ lệ giữa khối lượng hơi nước có trong hỗn hợp khí và lượng hơi nước cực đai có thể có trong thể tích khí đã cho dưới các điều kiện bão hoà (đo bằng phần trăm hay phần đơn vị). Nếu giảm nhiệt độ của khí có chứa hàm lượng ẩm bão hoà cực đại, giữ ở áp suất không đổi thì một phần hơi nước sẽ ngưng tụ được gọi là điểm sương của khí tại một áp suất nhất định. Nhằm xác định hàm lượng ẩm cân bằng của khí thiên nhiên người ta sử dụng: - Quan hệ giữa áp suất riêng phần và thành phần lỏng hơi. - Sử dụng các đường cong thực nghiệm phụ thuộc của hàm ẩm vào nhiệt độ và áp suất. - Hiệu chỉnh các đường cong trên khi có mặt của H2S, CO2, N2. - Sử dụng phương trình trạng thái P - V - T. Thông thường người ta sử dụng các đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc hàm lượng ẩm của khí thiên nhiên vào nhiệt độ (tỷ trọng của khí so với không khí là 0,6). Khi tỷ trọng của khí lớn hơn 0,6 và khi có các muối ở trong nước thì hàm lượng ẩm suy ra từ đồ thị này cần phải nhân tương ứng với hệ số C1 (hoặc C2). Khi tỷ trọng khí và hàm lượng muối tăng thì lượng ẩm trong khí sẽ giảm (ở những điều kiện gần giống nhau). Một số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến hàm lượng ẩm cân bằng trong khí như sự có mặt của propan, các hydro-cacbon nặng: H2S, CO2, N2, sự hiện diện của H2S và CO2 làm tăng hàm lượng ẩm, còn N2 lại làm giảm. Vì vậy nếu trong khi có một lượng lớn các khí hydro-cacbon nặng: CO2, H2S thì lượng ẩm tính theo đồ thị có thể khác xa so với thực tế. Khi lượng H2S trong khí thấp hơn 20% thì giá trị hàm lượng ẩm cân bằng có thể xác định theo Sherm và Kempbel (sai số cực đại không quá 6%). Hàm lượng hơi nước trong khí đồng hành và khí thiên nhiên cần phải biết vì hơi nước có thể bị ngưng tụ trong các hệ thống công nghệ sử lý khí sau này, kết quả tạo các điều kiện hình thành các hydrat (các chất tinh thể rắn) dễ đóng cục chiếm các khoảng không trong ống dẫn hay các thiết bị, phá vỡ điều kiện làm việc bình thường đối với các dây chuyền khai thác, vận chuyển, chế biến khí. Ngoài ra sự có mặt của hơi nước và các hợp chất chứa lưu huỳnh (H2S và các chất khác) sẽ là tiền đề thúc đẩy sự ăn mòn kim loại, làm giảm tuổi thọ, thời gian sử dụng của các thiết bị, công trình. Ngoài ra điều kiện hình thành các hydrat còn phụ thuộc vào hàm lượng của muối vô cơ trong nước, hàm lượng của chúng tăng sẽ dẫn đến giảm nhiệt độ bắt đầu tạo thành hydrat. Nhiệt độ này củng phụ thuộc vào các thành phần của khí. Ví dụ: Nhiệt độ bắt đầu tạo thành hydrat của metan khi có mặt propan, H2S và CO2 sẽ thấp hơn so với khi vắng mặt những chất này. Như vậy với nhũng tác hại của hàm lượng hơi nước trong khí nói ở trên thì để giải quyết những vấn đề có hại như vậy người ta đưa phương pháp sấy khô khí nhằm tách hơi nước trong khí để ngăn ngừa sự hình thành các hydrat, sử dụng rộng rãi phương pháp ức chế - là phương pháp đưa vào dòng khí các chất khác nhau (gọi là chất ức chế) làm hạ nhiệt độ tạo thành hyđrat như metanol, glycol... phương pháp sấy khô (tách nước) khí dựa trên cơ sở tách nước ra khỏi khí bằng các chất hấp thụ lỏng hoặc rắn. Trong hai phương pháp trên thì sử dụng phương pháp sấy khô vì nó dễ tiến hành, dễ thao tác, thiết bị đơn giản…(IV - 89). I.2. Nguyên tắc của phương pháp sấy khô khí. Khí được sấy khô nhằm mục đích tách hơi nước và tạo cho khí có nhiệt độ điểm sương theo nước thấp hơn so với nhiệt độ cực tiểu mà tại đó khí được vận chuyển hay chế biến. Nguyên tắc chung là người ta dùng các dung môi lỏng hoặc rắn để hấp thụ hơi nước, hơi nước sẽ bị ngưng tụ rồi tách khỏi khí dưới những dạng sương. Còn khí khô thì thoát ra trên đỉnh tháp hấp thụ, quá trình sấy khí thường dùng các dung môi để hấp thụ hoặc hấp phụ hơi nước. I.3. Các phương pháp sấy khô khí : Trong công nghệ chế biến khí, có nhiều phương pháp làm giảm hàm lượng ẩm có trong khí được sử dụng sao cho áp sất riêng phần của hơi nước nhỏ hơn áp suất hơi bão hoà của hydrat. Nhưng trong đa số trường hợp nếu chỉ làm lạnh sẽ không đủ và khó điều khiển quá trình. Hiện nay các phương pháp hấp thụ và hấp phụ rất phổ biến. I.3.1. Sấy khô khí bằng phương pháp hấp phụ. Khi cần phải sấy khí đến độ hạ điểm sương tới 1000C á 1200C và yêu cầu khí sau khi sấy có điểm sương rất thấp - 600C á - 900C, người ta sử dụng phương pháp hấp phụ. Trong công nghiệp chế biến khí người ta thường dùng silicagel, ôxit nhôm hoạt tính, boxit hoạt tính, zeolit 4A và 5A. Các chất hấp phụ đều có bề mặt riêng lớn 200…800 m2/g. Điểm sương của khí sản phẩm sau khi sấy phụ thuộc vào chất hấp phụ đã chọn và công nghệ đã thiết kế. Khi tính toán thiết kế sơ đồ công nghệ sử dụng giá trị điểm sương có thể đạt được với các chất hấp phụ thường dùng như sau : Chất hấp thụ Điểm sương của khí sau khi sấy Silicagel -600C (-760F) Oxit nhôm hoạt tính -730C (-1000F) Zeolit (rây phân tử) -900C (-1300F) Sơ đồ công nghệ sấy khí bằng phương pháp này đơn giản nhất bao gồm hai tháp. Nhưng trong thực tế công nghiệp người ta sử dụng hai hoặc ba tháp, tháp thứ nhất làm nhiệm vụ hấp phụ, tháp thứ hai làm nhiệm vụ nhả hấp phụ, tháp thứ ba làm lạnh chất hấp phụ sau khi tái sinh. Trong nhiều trường hợp có thể có bốn tháp, trong đó hai tháp thực hiện hấp phụ, một tháp tái sinh và một tháp làm nguội. Các tháp này làm việc luân phiên cho phép thực hiện quá trình sấy khí liên tục. Trong quá trình làm việc, khả năng hấp phụ của chất hấp phụ bị giảm dần do tạo cốc trên bề mặt, đặc biệt lớp trên cùng bị giảm hoạt tính nhanh nhất. Vì vậy sau một thời gian cần phải thay chất hấp phụ mới (khoảng từ 2 á 5 năm, tuỳ thuộc vào bản chất và điều kiện làm việc đối với từng chất hấp phụ) (I - 112). I.3.2. Sấy khí bằng phương pháp hấp thụ. Sấy khí bằng phương pháp hấp thụ 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 đậm đặc của mono-, đi-, 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 khí và trong chất hấp thụ. Giá trị điểm sương của khí, về nguyên tắc được đảm bảo bằng dung dịch của các glycol. Phương pháp này có sơ đồ thiết bị đơn giản, dễ tính toán thiết kế, dễ vận hành, quá trình liên tục nên có thể tự động hoá giá thành thiết bị thấp, ít tiêu hao tác nhân sấy khí, các chất hấp thụ dễ chế tạo. Các rượu hai chức này hoà tan hoàn toàn trong nước với bất kỳ tỷ lệ nào, các dung dịch này không ăn mòn, cho phép dùng kim loại rẻ tiền để chế tao thiết bị. Một tính chất quan trọng của glycol là khả năng làm giảm nhiệt độ đông đặc của dung dịch nước và trên hình 1 (phụ lục) là các đường cong nhiệt độ đông đặc của các dung dịch glycol có nồng độ khác nhau. Tính chất này cho phép có thể dùng dung dịch nước của các glycol làm chất hấp thụ nước ở nhiệt độ âm. Ký hiệu dùng trong đồ thị: ắ etylenglycol ắ - trietylenglycol ----- dietylenglycol Khi cần sấy một lượng khí tương đối lớn thì dùng phương pháp hấp thụ, dùng dietylenglycol (DEG) và trietylenglycol (TEG) là kinh tế hơn nhất, cả về vốn đầu tư và tiêu tốn năng lượng (I - 116). Các yêu cầu của dung môi hấp thụ : Các chất hấp thụ dùng để sấy khí phải đáp ứng những yêu cầu sau (I - 116): Có khả năng hấp thụ hơi nước trong khoảng rộng nồng độ, áp suất, nhiệt độ. Có áp suất hơi bão hoà thấp để mất mát trong quá trình là ít nhất. Nhiệt độ sôi khác nhiệt độ sôi của nước để dễ dàng tách nước (dễ dàng nhả hấp thụ để tái sinh dung môi). Độ nhớt thấp đảm bảo tiếp xúc tốt với hỗn hợp khí trong thiết bị hấp thụ, thiết bị trao đổi nhiệt. Có độ chọn lọc cao đối với các cấu tử có mặt trong khí, nghĩa là khả năng hấp thụ hơi nước cao, đồng thời khả năng hoà tan thấp các hydro-cacbon có trong khí. Tính ăn mòn kém. Khả năng tạo bọt kém khi tiếp xúc với dòng khí. Có độ bền nhiệt và bền oxi hoá cao. Không độc hại cho người làm việc, không gây ô nhiễm môi trường. Giá thành rẻ. Những chất hấp thụ thoã mãn yêu cầu trên được sử dụng phổ biến là glyxerin, các glycol như etylenglycol (EG), dietylenglycol (DEG), propylenglycol (PG), trietylenglycol (TEG)… Glyxerin đã được sử dụng từ năm 1929. Etylenglycol được sử dụng trong công nghiệp đầu tiên vào năm 1936. Dưới đây là một số ưu, nhược điểm của từng loại chất hấp thụ - sấy khô (IV - 97): Chất hấp thụ ưu điểm Nhược điểm Dietylenglycol (DEG) - Độ hút ẩm cao, khá bền khi có mặt các hợp chất lưu huỳnh, oxi và cacbonic ở nhiệt độ thường dung dịch đậm đặc không bị đông đặc. - Tiêu hao do thất thoát cao hơn so với trietylenglycol. Khi tái sinh khó thu được dung dịch có nồng độ DEG > 95%. Điểm sương thấp hơn so với khi sử dụng trietylenglycol. Giá thành cao Trietylenglycol (TEG) - Độ hút ẩm cao. Tạo được điểm sương cho khí sấy cao (27,80C á 47.30C). Độ bền cao khi có mặt các chất lưu huỳnh, oxi, cacbonic ở nhiệt độ bình thường. Khi tái sinh dễ dàng thu được dung dịch nồng độ cao > 99%. Dung dịch nồng độ cao không bị đông đặc. Độ bay hơi của TEG < DEG. - Đòi hỏi chi phí đầu tư cao, có khả năng tạo màng khi có mặt các chất lỏng hydro-cacbon nhẹ, độ hoà tan của hydro-cacbob trong TEG cao hơn so với DEG. Dung dịch MEA (mono etanol amin) 10% á 30%; DEG 60% á 80%; Nước 5% á 10%. - Chất hấp thụ này có thể tách nước, lưu huỳnh, cacbonic ra khỏi khí, tức là đồng thời vừa sấy khô vừa làm sạch khí. Khả năng tạo màng rất thấp. - Độ thất thoát lớn hơn so với khi sử dụng TEG. chỉ sử dụng để sấy khô và làm sạch các khí có tính axit. Dễ gây ăn mòn kim loại ở nhiệt độ tái sinh, điểm sương của khí thấp. Etylenglycol (EG) - Chất hấp thụ này có nhiệt độ đông đặc thấp, khả năng ngăn ngừa sự tạo thành hydrat cao nhất. - Độ hoà tan của các hyđrocacbon trong chất hấp thụ EG cao hơn so với DEG vàTEG, áp suất hơi cao hơn do đó khả năng mất mát trong quá trình làm việc lớn. Propylenglycol (PG). - PG có hai đồng phân, đồng phân 1,2- PG; 1,3- PG; Đồng phân 1,2-PG dùng làm chất hấp thụ sấy khí tốt, giá thành rẻ hơn DEG và TEG, nhiệt độ đông đặc rất thấp (- 600C). Cho phép sử dụng ở những vùng giá lạnh - Độ hoà tan hydro-cacbon trong chất hấp thụ cao hơn DEG, có khả năng tạo bọt, độ chọn lọc không cao. So sánh qua ưu, nhược điểm của các chất hấp thụ thì việc lựa chọn dung môi hấp thụ DEG là ưu việt hơn cả vì giá thành cao nhưng nó rất bền đối với các tạp chất cơ học có mặt trong khí và nó có áp suất hơi bão hoà rất thấp, dễ nhả hấp thụ vì nhiệt độ sôi của DEG lớn hơn nhiệt độ sôi của nước, nó không bị đông đặc và điều quan trọng là không tạo màng. Độ hoà tan của hyđrocacbon trong DEG thấp hơn. Vì vậy sử dụng dung môi DEG trong quá trình sấy khô khí bằng phương pháp hấp thụ là kinh tế, phạm vi rộng có thể sấy một lượng khí tương đối lớn. Chương II : Hấp thụ - sấy khô khí bằng dung môi Dietylenglycol. II.1. Một số tính chất hoá lý của dung môi Dietylenglycol. Các glycol là những dung môi lỏng (hay các rượu đa chức) dùng trong quá trình sấy khí nhằm mục đích tách ẩm (hay hút nước) trong khí, các dung môi sử dụng như : DEG, PG, TEG, EG…Glyxerin. Những chất hấp thụ trên đều có những ưu, nhược điểm riêng nhưng trong các chất hấp thụ trên thì ta dùng chất hấp thụ - sấy khô khí là hiệu quả nhất cả về vốn, đầu tư và năng suất. Một số tính chất hoá lý của dung môI DEG (I-117, VIII-336): Khối lượng phân tử: 106,12 Tỷ trọng tương đối: 1,118 Nhiệt độ sôi ở 760mmHg: 224,80C Nhiệt độ nóng chảy: - 80C Nhiệt độ bắt đầu phân huỷ: 1640C Nhiệt độ tái sinh: 1640C Độ nhớt ở 200C: 35,7 cP Nhiệt dung riêng: 2,09 Kj/Kg0c áp suất hơi, at, 250C: 0,01 Chỉ số khúc xạ, 250C: 1,446 Chỉ số axit, mg của KOH/g: < 0,05 Sự tuyển ướt (tuyển khoáng), wt%: < 0,02 Tỷ nhiệt, 250C: 0,05 Điểm cháy, 0C: 138 Nhiệt độ bốc cháy, 0C: 143 Điểm sôi, 760mmHg,0C: 244,8 Điểm sôi, 760mmHg,0F: 472.6 Tỷ trọng ở 250C, g/cm3: 1,113 Tỷ trọng ở 600C, g/cm3: 1,088 Nhiệt độ hạ điểm chảy,0C: - 54 Độ nhớt, cP, ở 250C: 28,2 Độ nhớt, cP, ở 600C: 6,99 Chưng cách lỏng: 0,3 Màng hơi ngưng tụ: 0,17 Tinh chế, % 99,60 Sức căng bề mặt, N/m2 (200C): 4.85 Độ nhớt ở 200C : 36,0 áp suất hơi ở 200C, Pa: 2,7 Giới hạn nổ thấp: 0,7 Nhiệt độ điểm cháy của hydro-cacbon 9,29 Cao nhất ở 250C: Những đặc trưng của DEG : DEG có độ hoà tan hydro-cacbon thấp, khả năng tạo bọt kém. ở những áp suất cao người ta hay dùng DEG vì có độ chọn lọc cao. Độ hoà tan của khí tự nhiên trong TEG cao hơn 25% á 30% so với DEG. Trong quá trình sấy khí mất mát glycol khoảng 0,25 á 0,75 lít trên 1000 lít chất lỏng ngưng tụ, do sự hoà tan của glycol trong pha ngưng tụ phụ thuộc vào thành phần khí đưa vào sấy. Nhiệt độ đông đặc của DEG thấp (- 400C) có thể sử dụng được ở những vùng có điều kiện khí hậu thay đổi. Độ nhớt của dung dịch DEG trong nước tăng lên với sự tăng nồng độ và độ nhớt của dung dich giảm đi khi tăng nhiệt độ . Trong thực tế có trường hợp cần sấy khí ở nhiệt độ thấp, khi đó dung dịch DEG trong nước có độ nhớt rất cao, chúng trở nên quánh lại làm giảm khả năng tiếp xúc, trao đổi giữa dung dịch DEG và khí ẩm. DEG chỉ sử dụng được ở nhiệt độ cao hơn -100C, nhiệt độ dưới -100C có độ nhớt rất cao, khó tách khỏi pha lỏng nếu có dầu trong đó. Còn khi nhiệt độ vào khoảng -80C á - 70C thì DEG trở thành chất rắn. Vì vậy, để giảm độ nhớt của dung dịch DEG người ta thêm các dung môi hữu cơ. Các dung môi này cũng đồng thời làm chất sấy và không có khả năng tạo bọt như rượu, benzylic, phenyletylic, các rượu thơm, rượu thẳng… Các chất này đều có độ nhớt nhỏ hơn DEG tan tốt trong DEG (I-121). Dưới đây đưa ra giới hạn nồng độ cho phép của dung dịch DEG (% khối lượng) cần phải duy trì trong hệ ở các nhiệt độ khác nhau (IV-96): Nhiệt độ DEG -22,30C 48 á 91 -28,90C 51 á 88 -34,40C 56 á 85 -45,60C 51 á 88 Trong thực tế người ta sử dụng rộng rãi nồng độ DEG là 60% á 80% khối lượng. II.2. Cơ sở hoá lý của quá trình. Dietylenglycol ( DEG ) là một loại rượu đa chức có công thức phân tử là C4H10O3 ( CH2OH-CH2O-CH2-CH2OH ) nó là một loại rượu gồm hai nhóm OH và một liên kết ete, nó tan vô hạn trong nước sau đó độ tan giảm nhanh khi nồng độ tăng. Khi tan trong nước nó hình thành liên kết Hydro giữa DEG và nước. …. H-O …. H-O …. H-O … R H R Nhiệt độ sôi của DEG lớn hơn nhiệt độ sôi của hydro- cacbon tương ứng vì giữa các phân tử xuất hiện liên kết hydro bền vững vì vậy nó dễ dàng hấp thụ nước. Quá trình sấy khí bằng DEG dựa trên những tính chất vật lý của DEG ( vì đây là hấp thụ vật lý ) như nhiệt độ đông đặc, áp suất hơi bão hoà, nhiệt độ tiếp xúc, độ nhớt, độ hạ nhiệt độ tạo hydrat đối với nồng độ DEG đã cho, nhiệt độ tái sinh, khả năng bền oxy hoá, độ chọn lọc… Quá trình hấp thụ dựa trên sự hoà tan của khí trong lỏng, nhiệt độ điểm sương, nhiệt độ và áp suất tiếp xúc, hàm ẩm… II.2.1. Độ hoà tan của khí trong lỏng. Khí hoà tan trong lỏng sẽ tạo thành hỗn hợp hai cấu tử, có hai thành phần và hai pha. Hệ thống như vậy theo định luật pha ( f = 2, k = 2, C = 2+2-2 = 2 ) được coi như hỗn hợp lỏng có hai thành phần. Cân bằng pha được xác định bằng áp xuất, nhiệt độ và nồng độ. Nếu nhiệt độ không đổi thì độ hoà tan phụ thuộc vào áp suất. Sự phụ thuộc này được biểu diễn bằng định luật Henry (X-74): ycb = m.x ; Đối với khí lý tưởng thì : m : hằng số dùng để biểu diễn quan hệ ycb = f(x) là đường thẳng. Đối với khí thực thì : m : phụ thuộc vào x, nên đường cân bằng là đường cong. Hằng số cân bằng được tính m = y/p Với P : áp suất ( at ). y : hệ số Henry, được tra theo bảng, có thứ nguyên là áp suất. II.2.2. ảnh hưởng của hàm ẩm. Hàm ẩm là lượng hơi nước có trong khí cần sấy khô, và hàm lượng ẩm có trong hỗn hợp khí phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và thành phần hỗn hợp khí. Tại mỗi giá trị áp suất và nhiệt độ có thể xác định được hàm ẩm tối đa của hỗn hợp khí. Hàm ẩm tương ứng với trạng thái khí bão hoà hơi nước được gọi là hàm ẩm cân bằng hay còn gọi là độ ẩm cân bằng. Để biểu diễn hàm lượng hơi nước có trong hỗn hợp khí người ta sử dụng hai khái niệm: độ ẩm tương đối và độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tuyệt đối là lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích hoặc một đơn vị khối lượng khí được biểu diễn bằng g/m3 hoặc là g/Kg khí. Độ ẩm tương đối là tỷ lệ giữa khối lượng hơi nước có trong khí và khối lượng hơi nước tối đa có thể có trong khí ở điều kiện bão hoà. Nếu giảm nhiệt độ khí bão hoà hơi nước còn ở áp suất không đổi, thì một phần hơi nước bị ngưng tụ. Nhiệt độ tại đó hơi nước có trong khí bắt đầu ngưng tụ được gọi là điểm sương của khí tại áp suất đã cho (I-77). II.2.3. Sự phụ thuộc nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp khí vào nhiệt độ tiếp xúc với dung dịch DEG. Trên hình 2 (phụ lục) biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ điểm sương của khí vào nồng độ dung dịch DEG và nhiệt độ tiếp xúc. Từ giản đồ ta thấy rằng dung dich DEG nồng độ 95% khi tiếp xúc với khí ở 200C có khả năng giảm nhiệt độ điểm sương của khí tới -50C, còn dung dịch 98% ở cùng nhiệt độ có khả năng giảm điểm sương của khí tới -130C. Như vậy, nồng độ dung dịch DEG càng cao, mức độ sấy khí càng cao, tức là khí sau khi sấy có nhiệt độ điểm sương càng thấp (I-118). Độ hạ điểm sương DT cho biết mức độ sấy khí của chất hấp thụ trên hình 3 (phụ lục) là đồ thị mô tả độ hạ điểm sương phụ thuộc vào nồng độ dung dịch DEG và nhiệt độ tiếp xúc của dung dịch khí ẩm. Nhờ đồ thị này có thể xác định được độ hạ điểm sương DT khi biết nồng độ dung dịch DEG và nhiệt độ tiếp xúc. Độ hạ điểm sương DT với dung dịch DEG có nồng độ 98%, nhiệt độ tiếp xúc là 270C, có khả năng hạ điểm sương của hỗn hợp khí xuống DT = 160C, nghĩa là nếu hỗn hợp khí ẩm ban đầu có nhiệt độ điểm sương là 60C thì sau khi sấy sẽ có điểm sương là - 100C. Độ hạ điểm sương còn phụ thuộc vào lưu lượng tưới của dung dịch DEG (I-119). II.2.4. Sự phụ thuộc áp suất hơi bão hoà của dung dịch DEG vào nhiệt độ. Trên hình 4 (phụ lục) là đồ thị biểu diễn áp suất hơi bão hoà cả dung dịch nước DEG có nồng độ khác nhau. Nhờ đồ thị này có thể xác định được nhiệt độ sôi của dung dịch DEG ở các áp suất khác nhau. ở áp suất 760mmHg nhiệt độ sôi của dung dịch 98% DEG là 1820C, ở áp suất 300mmHg nhiệt độ sôi của dung dịch đó là 1460C. Nhiệt độ bắt đầu phân huỷ của DEG là 1640C. Vì vậy để tái sinh DEG cần phải thực hiện ở áp suất thấp dưới áp suất khí quyển (tháp nhả hấp thụ cần làm việc ở điều kiện chân không). Trong khi đó TEG bắt đầu phân huỷ ở nhiệt độ là 2060C, vì vậy tái sinh TEG ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tái sinh đối với DEG và không cần chân không (I-120). II.2.5. ảnh hưởng của lượng dung môi đến quá trình hấp thụ. Để xem xét vai trò của dung môi trong hấp thụ, người ta dự vào phương trình chuyển khối chung và phương trình đường nồng độ làm việc. Theo phương trình chuyển khối, lượng hấp thụ được tính: G = Ky ´ F ´ DYtb . (VI - 77); Trong đó: Ky : Hệ số chuyển khối. F : Bề mặt tiếp xúc pha. DYtb : Động lực trung bình. G : Lượng khí bị hấp thụ. Quan hệ X – Y Dựa vào đồ thị quan hệ X - Y ta thấy, khi Yđ , YC và Xđ cố định, thì nồng độ cuối của dung môi được quyết định theo động lực trung bình DYtb, tức là điểm cuối của đường làm việc AB. Điểm cuối của đường làm việc chỉ được chuyển dịch từ A đ A4. Đường làm việc BA4 cắt đường cân bằng, lúc này động lực trung bình DYtb nhỏ nhất. Đường BA gần song song với trục tung, nên động lực trung bình là lớn nhất. Vì F ´ DYtb không đổi nên ứng với đường BA4 cho ra F lớn nhất và ứng với đường AB có F bé nhất. Tương tự, tại A4 có XC lớn nhất và tại A có XC bé nhất. Nếu chọn lượng dung môi ít nhất ta thu được XC lớn, nhưng thiết bị phải rất lớn (vô cùng cao). Trái lại, nếu chọn lượng dung môi lớn thì thiết bị bé. Những dung dịch thu được quá loãng thì XC bé, do đó khi chọn điều kiện làm việc ta phải dựa vào chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật (VI-77). II.3. Công nghệ sấy khí bằng chất hấp thụ DEG. ở các thiết bị công nghiệp, sự sấy khô khí đén điểm sương cân bằng là không thể thực hiện được vì khí chỉ tiếp xúc với DEG có nồng độ tính toán tại mâm trên cùng, còn ở mâm dưới nồng độ của DEG sẽ giảm đi do sự hấp thụ hơi nước. Do đó trong các thiết bị công nghiệp điểm sương của khí sấy sẽ cao hơn từ 50C á 110C so với điểm sương cân bằng. Thông thường sự sấy khí bằng DEG được thực hiện đến điểm sương không thấp hơn -250C á -300C. Muốn sấy triệt để hơn thì cần dung dịch DEG đậm đặc hơn, khi đó sẽ phát sinh khó khăn (sẽ gia tăng sự tiêu hao DEG cùng với khí khô). Để thu nhận DEG có nồng độ cao hơn ở các thiết bị sấy khô, quá trình tái sinh chất hấp thụ cần phải tiến hành với sự có mặt của khí trơ ( IV-120) II.3.1. sơ đồ nguyên tắc công nghệ sấy khô khí bằng DEG (I - 121). Sơ đồ nguyên lý công nghệ sấy khí bằng DEG hình 5 (phụ lục). Các thiết bị trong sơ đồ nguyên tắc công nghệ sấy khí bằng DEG. Thùng chứa 1. Tháp hấp thụ 2. Tháp nhả hấp thụ 3. Thiết bị trao đổi nhiệt 4. Thiết bị đun sôi đáy tháp 5. Thiết bị làm lạnh 6. Tháp tách 7. khí đưa vào sấy I. khí sau khi sấy II. Dung dịch DEG III. Dung dịch DEG bão hoà hơi nước IV. Nước đưa đi tưới V. Thuyết minh sơ đồ công nghệ. Khí đưa vào sấy đang ẩm đưa vào thùng chứa 1. khí ẩm được đưa vào phần dưới của tháp hấp thụ 2 và dòng khí đi từ dưới lên, còn dung dịch DEG đậm đặc thì đưa vào mâm trên của thiết bị này, được tưới từ trên xuống, hơi nước bị dung dịch DEG hấp thụ, quá trình này được tiến hành trong khoảng nhiệt độ là 200C, áp suất 2 á 6 MPa. Khí đã được sấy khô II sẽ đi ra từ phía trên đỉnh của tháp hấp thụ, còn dung dịch DEG đã hấp thụ nước được lấy ra từ phía dưới. Khí sấy khô sau đó được đưa đi sử dụng. DEG đã hấp thụ nước qua thiết bị trao đổi nhiệt 4 được đun nóng sơ bộ đi vào giữa tháp nhả hấp thụ 3. Hơi nước giải phóng đi lên phía trên tháp và được ngưng tụ ở thiết bị làm lạnh 6. Một phần hơi nước ngưng tụ được quay trở lại tưới ở đĩa trên cùng của tháp nhả hấp thụ. Phần dưới của tháp nhả hấp thụ được đốt nóng. Dung dịch DEG sau khi tái sinh chứa từ 1% á 5% nước, được làm nguội nhờ thiết bị làm lạnh 6 và quay trở lại tháp hấp thụ 2. Quá trình nhả hấp thụ được thực hiện ở nhiệt độ cao nhưng không được cao hơn 1700C vì nhiệt độ phân huỷ của DEG là 1640C. Nếu cao hơn thì DEG sẽ bị phân huỷ. II.3.2. sơ đồ nguyên tắc công nghệ hấp thu - Sấy khô khí với sự tái sinh chân không DEG. (IV - 100). Hình 6 (phụ lục) trình bày nguyên tắc công nghệ hấp thụ - sấy khô khí với sự tái sinh chân không DEG. Sơ đồ công nghệ bao gồm các thiết bị sau: Thiết bị hấp thụ 1. Bơm 2; 8. Thùng chứa DEG 3. Thiết bị làm lạnh 4. Thiết bị trao đổi nhiệt 5; 7. Thiết bị thổi khí 6. Thiết bị giải hấp thụ 9. Thiết bị ngưng tụ 10. Bồn chứa chất lỏng ngưng tụ 12. Thiết bị tái sinh hơi 13. Bơm chân không 14. Khí ẩm I. Khí đã sấy khô II. DEG tái sinh III. DEG bão hoà IV. Hơi nước và khí V. Hồi lưu VI. Khí thổi VI. Khí thải ra khí quyển VIII. Thuyết minh dây chuyền công nghệ: Khí ẩm đi vào phía dưới của thiết bị hấp thụ 1. Còn DEG đậm đặc được bơm vào mâm trên cùng của thiết bị này. Khí sấy khô sau đó được đi ra từ phía trên, còn phía dưới đi ra là DEG đã bão hoà hơi nước. Để tái sinh, dung dịch DEG trong nước được đun nóng trong thiết bị trao đổi nhiệt 5. Sau đó đi vào thiết bị thổi khí 6 để tách hydro-cacbon. Tiếp theo sẽ đi qua thiết bị trao đổi nhiệt 7 và đi vào phần giữa của thiết bị giải hấp 9 có áp suất 10KPa á 13KPa. Nhờ hơi nước trong thiết bị tái sinh hơi 13, nhiệt độ của phần đáy thiết bị được duy trì trong khoảng 1900C á 2040C. DEG tái sinh được lấy ra từ phía dưới của thiết bị giải hấp bằng bơm 8, sau đó qua thiết bị trao đổi nhiệt 5 và 7, được làm lạnh trong thiết bị 4 rồi đi vào thùng chứa 3. Từ đây bằng bơm 2 được đưa vào phía trên thiết bị hấp thụ 1, ở nhiệt độ của thiết bị hấp thụ 300C thì điểm sương của khí giảm xuống từ -180C á - 250C. Để thu được DEG có nồng độ hơn 99% khối lượng, ngoài phương pháp tái sinh chân không còn sử dụng rộng rãi phương pháp thổi khí (stripping gas) cho phép tăng nồng độ DEG đến 99,5% á 99,9%. Khí thổi này là khí sạch (không chứa xăng và các chất hữu cơ) được đưa vào thiết bị tái sinh hơi hoặc được trực tiếp đưa vào phần dưới của thiết bị giải hấp. Tác dụng của khí thổi là giảm áp suất hơi nước trên bề mặt dung dịch, do vậy thúc đẩy sự bốc hơi của nước từ dung dịch. II.3.3. sơ đồ nguyên tắc công nghệ sấy khô khí bằng DEG với sự bổ sung DEG (IV – 99). Hình 7 (phụ lục) trình bày sơ đồ nguyên tắc công nghệ sấy khô khí bằng DEG. Các thiết bị trong công nghệ bao gồm: Thiết bị hấp thụ 1. Thiết bị trao đổi nhiệt 2; 4. Thiết bị thổi khí 3. Thiết bị nhả hấp thụ 5. Thiết bị tái sinh hơi 6. Thiết bị sinh hàn 7. Bồn chứa DEG 8. Bơm 8. Khí ẩm I. Khí đã sấy khô II. Khí thổi ra III. Hơi nước đi vào khí quyển IV. DEG bổ sung V. DEG tái sinh VI. Thuyết minh dây chuyền công nghệ: Khí ẩm được đưa vào phần dưới của thiết bị hấp thụ 1, còn dung dịch DEG đậm đặc thì đưa vào mâm trên cùng của thiết bị này. Khí sấy khô sẽ đi ra từ phía trên của thiết bị, còn DEG đã hấp thụ hơi nước thì đi ra từ phía dưới của thiết bị. Khí sấy khô sau đó được đưa đi sử dụng, DEG hấp thụ hơi nước tiếp tục được đun nóng trong thiết bị trao đổi nhiệt 2 và đi vào hệ thống thổi khí 3, tại đây sẽ tách phần hydro-cacbon đã hấp thụ. Tiếp theo DEG được đun nóng trong thiết bị trao đổi nhiệt 4 và thiết bị nhả hấp thụ 5. Từ phía trên của thiết bị 5 sẽ lấy ra hơi nước, phần còn lại phía dưới chính là DEG tái sinh được làm nguội trong thiết bị trao đổi nhiệt 4 , 2 và sinh hàn 7, đi vào bồn chứa 8, từ đây bằng bơm 9 sẽ đi vào thiết bị hấp thụ 1 (bồn chứa 8 sẽ được bổ sung một lượng DEG khi cần thiết). Nhiệt độ giới hạn trên của quá trình hấp thụ khí được xác định bằng sự tiêu hao cho phép của DEG do bay hơi, trong thực tế nhiệt độ này vào khoảng 380C. Còn giới hạn dưới phụ thuộc vào sự giảm khả năng hút ẩm của chất hấp thụ DEG gây ra bởi sự tăng độ nhớt của DEG. Nhiệt độ cực tiểu tiếp xúc đối với DEG vào khoảng 100C. Nồng độ DEG là yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất đến điểm sương của khí, khi tăng nồng độ DEG thì độ hạ điểm sương sẽ mạnh hơn so với tăng tiêu hao tác nhân sấy. Phần II : Tính toán thiết kế A - tính toán thiết kế tháp nhả hấp thụ. Chất hấp thụ: DEG (dietylenglycol). Công thức phân tử: C4H10O3. Công thức cấu tạo: OH - CH2 - CH2- O – CH2 – CH2 – OH. Tỷ trọng tương đối: 1118 kg/m3. Khối lượng phân tử: 106,12. Năng suất làm việc: 50.000 m3khí/h. Khí nguyên liệu ban đầu bão hoà hơi nước ở ._.