Đồ án chuyên ngành

GVHD:PGS.TS.Lê Minh Thắng

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

3

PHẦN I.TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

4

Chương I Giới thiệu chung về quá trình

4

I.1 Giới thiệu chung về sấy khô khí

4

I.2 Nguyên tắc của phương pháp sấy khô khí

4

I.3 Các phương pháp sấy khô khí 5
Chương II Giới thiệu chung về quá trình

12

II.1.Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ

12

II.2.Tính chất lý hoá của hệ hydrocacbon-nước

16

II.3.Sự tạo thành hydrat của hệ hydrocacbon-nước

18

II.4.Đặc điểm tính chất hoá lý của chất hấp thụ

21

Chương III Các quy trình công nghệ sấy khí bằng phương pháp hấp thụ
III.1.Sơ đồ và nguyên lý công nghệ sấy khí bằng glycol

28

28

III.2.Sơ đồ và nguyên lý quá trình dehydrat hoá khí bằng dung môi TEG 41
III.3.Sơ đồ nguyên lý công nghệ sấy khô khí bằng dung môi glycol

43

III.4 Sơ đồ nguyên tắc công nghệ hấp thụ-sấy khô khí với sự tái sinh chân
không DEG 45
Chương IV: Lựa chọn công nghệ tối ưu cho quá trình sấy khí 48

IV.1.Lựa chọn sơ đồ công nghệ
IV.2.Lựa chọn thiết bị

48

50

PHẦN II. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA THÁP
LÀM KHÔ KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ DÙNG DI
ETYLENGLYCOL
51
I.Dữ liệu ban đầu

.51

SVTH:Lê Anh Tuấn-CNCN Hoá Dầu-K55 Trang 1


Đồ án chuyên ngành

GVHD:PGS.TS.Lê Minh Thắng

II. Hàm lượng ẩm của hỗn hợp khí
51
III Tính toán thiết kế thiết bị hấp thụ
54
II.4 TÝnh to¸n thiÕt kÕ th¸p nh¶ hÊp thô 61
PHẦN III : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
III.1 TÝnh to¸n th¸p hÊp thô. 67
III.2 TÝnh to¸n th¸p nh¶ hÊp thô. 71

KẾT LUẬN

74

TÀI LIỆU THAM KHẢO

75

SVTH:Lê Anh Tuấn-CNCN Hoá Dầu-K55 Trang 2

67


Đồ án chuyên ngành

GVHD:PGS.TS.Lê Minh Thắng

MỞ ĐẦU
Khí tự nhiên và khí đồng hành là nguồn chính cung cấp các nguyên liệu quan
trọng cho công nghiệp hóa học và hóa dầu.Với vai trò quan trọng của nó trong việc
phát triển công nghiệp mà trong những năm gần đây ở nhiều nước đang có xu
hướng tăng công suất các nhà máy chế biến khí.Tại các nhà máy chế biến khí mới
xây dựng người ta đã lắp đặt các thiết bị mới thực hiện đồng thời một vài quá trình
công nghệ chế biến khí.
Tại Việt Nam công nghệ chế biến khí cũng đang trên đà phát triển với các nhà
máy chế biến khí Dinh Cố,nhà máy khí-điện-đạm Phú Mỹ, khí-điện-đạm Cà Mau
khiến cho nhu cầu về khí nguyên liệu gia tăng.Do đó việc thăm dò và khai thác đã
và đang được chú trọng.Với một số mỏ tại bể Cửu Long,bể Nam Côn Sơn,bể
Malay – Thổ Chu thì nguồn cung cấp khí cho các nhà máy ở nước ta vẫn ổn
định.Khí tự nhiên nước ta là khí ngọt với hàm lượng lưu huỳnh thấp rất phù hợp để

làm nguyên liệu cho nhà máy chế biến khí.
Trong quy trình chế biến khí thì giai đoạn sấy khô khí nguyên liệu là giai đoạn
trước tiên nên nó có vai trò quan trọng trong cả quá trình hoạt động của nhà
máy.Sấy khô nhằm mục đích tách hơi nước ra khỏi hỗn hợp khí để tránh tạo hydrat
trong các quy trình chế biến tiếp theo khiến cho việc vận chuyển bị cản trở,giảm
công suất bơm,quạt,máy nén ….
Để hiểu biết kỹ hơn về những vấn đề đã và đang học,trong bài này chúng ta đi
tìm hiểu,khảo sát và xây dựng dây chuyền công nghệ của một trong những giai
đoạn của quy trình chế biến khí đó là sấy khô khí.

SVTH:Lê Anh Tuấn-CNCN Hoá Dầu-K55 Trang 3


ỏn chuyờn ngnh

GVHD:PGS.TS.Lờ Minh Thng

PHN I.TNG QUAN Lí THUYT
Chng I.Gii thiu chung v quỏ trỡnh
I.1 Gii thiu chung v sy khớ
Trong cụng nghip hoỏ hc,khớ t nhiờn v khớ ng hnh l ngun nhiờn liu
quan trng trong nn kinh t quc dõn v cng l ngun nguyờn liu quan trng
trong cụng ngh tng hp cỏc hp cht hu c.Cỏc sn phm chớnh ca quỏ trỡnh
ch bin khớ ú l:xng khớ,khớ hoỏ lng v cỏc khớ khụ,propan,izo-butan,pentan.
Ti cỏc gin khoan,du m t cỏc giờng khoan c chuyn n cỏc gin ỏp
sut cao,trung bỡnh v thp.Ti ú cú s thay i ỏp sut,khớ ho tan thoỏt ra khi
du m v c dn n nh mỏy ch bin khớ.Du m c chuyn n thựng
cha,ti ú lng tỏch nc khi du,sau ú a sang n nh tc l tỏch cỏc cu t
nh:etan,propan,butan v mt phn pentan.Du ó ng nh c dn n nh mỏy
ch bin du cũn khớ tỏch ra t cụng on n nh cng c dung lm nguyờn

liu cho nh mỏy ch bin khớ.Nhng khớ m c tỏch ra t du m ny c gi
chung l khớ ng hnh.[1]
Mt ngun khớ khỏc c khai thỏc trc tip t m khớ nm sau di long t
vi thnh phn ch yu l metan .Khớ c khai thỏc t m khớ nh vy c gi
l khớ t nhiờn.[1]
Khớ t nhiờn v khớ ng hnh c khai thỏc t lũng t thng bóo ho hi
nc v hm lng hi nc ph thuc vo nhit ,ỏp sut v thnh phn hoỏ hc
ca khớ.Mi giỏ tr nhit v ỏp sut tng ng s cú hm lng nc cc i cú
th cú nht nh.Hm lng nc trong khớ cú th to cỏc hydrat,cn tr quỏ trỡnh
vn hnh ca cỏc thit b trong quỏ trỡnh ch bin khớ (nh bm,qut,mỏy
nộn...). hn ch tỏc hi ca hin tng ny,khớ cn c dehydrat bng cỏch sy
khớ hoc trn thờm vo khớ tỏc nhõn c ch quỏ trỡnh to hydrat. [1]
I.2 Nguyờn tc ca phng phỏp sy khụ khớ
Khí đợc sấy khô nhằm mục đích tách hơi nớc và tạo cho khí có nhiệt độ điểm sơng theo nớc thấp hơn so với nhiệt độ cực tiểu mà tại đó khí đợc vận chuyển hay
chế biến.
SVTH:Lờ Anh Tun-CNCN Hoỏ Du-K55 Trang 4


ỏn chuyờn ngnh

GVHD:PGS.TS.Lờ Minh Thng

Nguyên tắc chung là ngời ta dùng các dung môi lỏng hoặc rắn để hấp thụ hơi nớc, hơi nớc sẽ bị ngng tụ rồi tách khỏi khí dới những dạng sơng. Còn khí khô thì
thoát ra trên đỉnh tháp hấp thụ, quá trình sấy khí thờng dùng các dung môi để hấp
thụ hoặc hấp phụ hơi nớc.
I.3 Cỏc phng phỏp sy khụ khớ
Trong công nghệ chế biến khí, có nhiều phơng pháp làm giảm hàm lợng ẩm có
trong khí đợc sử dụng sao cho áp sất riêng phần của hơi nớc nhỏ hơn áp suất hơi
bão hoà của hydrat. Nhng trong đa số trờng hợp nếu chỉ làm lạnh sẽ không đủ và
khó điều khiển quá trình. Hiện nay các phơng pháp hấp thụ và hấp phụ rất phổ

biến.
I.3.1 Sy khụ khớ bng phng phỏp c ch: [1]
Bn cht ca phng phỏp l a vo dũng khớ m cht c ch ho tan trong
nc,kt qu dn ti lm gim ỏp sut riờng phn ca hi nc v h nhit to
thnh hydrat.Hin nay cỏc cht c ch ngn nga s to thnh hydrat thụng dng
nht l:



S dng cht c ch l CH3OH,cn cú khu vc kh hydrat v kh axit.
S dng cht c ch glycol,trong thc t thng s dng cỏc loi
glycol:EG,DEG,TEG vi nng khong 60-80% khi lng.Vic la chn
mt loi glycol s dng t hiu qu cao cho mt quỏ trỡnh x lý no ú ph
thuc vo:
- Nhit ụng c v nht ca glycol
- h nhit to thnh hydrat i vi nng glycol ó cho
- Kh nng ho tan ca glycol trong hydrocacbon ngng t
- Thnh phn khớ

h nhit im sng ca khớ ph thuc vo loi cht c ch,nng ca
nú v nhit khớ tip xỳc vi cht c ch.
Bng 1. So sỏnh cỏc u nhc im ca cht c ch glycol v metanol
Glycol

Metanol

Khụng gõy c vi ngi v mụi Gõy c hi vi ngi v mụi trng
trng

SVTH:Lờ Anh Tun-CNCN Hoỏ Du-K55 Trang 5



Đồ án chuyên ngành

GVHD:PGS.TS.Lê Minh Thắng

Có áp suất hơi bão hoà rất thấp và có
khả năng thu hồi rất cao bằng
phương pháp vật lý đơn giản là cô
đặc các dung dịch nước chứa glycol

Áp suất hơi bão hoà cao do vậy khó tách
ra khỏi dòng khí,việc tái sinh nó rất
phức tạp nên lượng tiêu hao chất ức chế
lớn trong quá trình làm việc.

Chỉ sử dụng được ở nhiệt độ cao hơn Có thể sử dụng hiệu quả ở bất kỳ nhiệt
-10oC.Ở nhiệt độ dưới -10oC DEG có độ nào
độ nhớt cao và khó tách ra khỏi pha
lỏng nếu có dầu trong đó.
Nhiệt độ sôi cao nên khó bị bay hơi
Tránh mất mát khỏi thiết bị

Nhiệt độ sôi thấp nên khả năng thất
thoát rất cao

Không gây ăn mòn thiết bị

Một số phân xưởng đôi ki cần thiết kế
thêm các thiết bị loại axit có thể sinh ra


I.3.2 Sấy khô khí bằng phương pháp hấp phụ [1]
Các phương pháp hấp phụ cho phép đạt độ hạ điểm sương tới 100 oC ….120oC
và có thể sấy sâu khí đến điểm sương -60 oC …. -90oC.Trong công nghiệp chế biến
khí người ta thường dung chất hấp phụ là silicagel,boxit hoạt tính,oxit nhôm hoạt
tính,zeolit 4A và 5A.
Bảng 2.Các đại lượng đặc trưng của các chất hấp phụ
Đại lượng đặc
trưng
Khối lượng
riêng,g/cm3
-Khối lượng riêng
thực
-Khối lượng riêng
đổ
-Khối lượng riêng
biểu kiến
Nhiệt
dung,Kcal/kg.độ
Hàm lượng nước,

Silicagel

Oxit nhôm hoạt
tính

Boxit hoạt tính

2,1 .... 2,2


3,25

3,4

0,61 .... 0,72

0,8 ....0,86

0,8 .... 0,83

0,69 ....0,72

1,2

1,6

1,6 .... 2,0

1,1

0,22

0,24

0,24

0,2

SVTH:Lê Anh Tuấn-CNCN Hoá Dầu-K55 Trang 6


Zeolit 4A và 5A


Đồ án chuyên ngành
% trọng lượng
Nhiệt độ tái sinh,
o
C
Khả năng hấp phụ
hơi nước,kg
nước/100kg chất hấp
phụ

GVHD:PGS.TS.Lê Minh Thắng
4,5 .... 7
121 ....232
7 ....9

7,0
177 ....315
4 ....7

4 .... 6
>177
4 .... 6

Thay đổi
150 ....350
9 ....12


Các chất hấp phụ đều có bề mặt riêng lớn 200....800 m 2/g.Điểm sương của các
khí sản phẩm sau công đoạn 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 phụ
Điểm sương của khí sau khi sấy
Silicagen
-60oC (-76oF)
Oxit nhôm hoạt tính
-73oC (-100oF)
Zeolit (rây phân tử)
-90oC (-130oF)
Các quá trình hấp phụ có thể thực hiện gián đoạn trong các thiết bị với tầng 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 khi được sử dụng do các thiết bị công nghệ rất
phức tạp.Trong thực tế người ta thường sử dụng ba hoặc 4 tháp trong đó có 1 đến 2
tháp hấp phụ,1 tháp nhả hấp phụ còn một tháp để làm lạnh chất hấp phụ sau ki tái
sinh.
Trong quá trình làm việc ,khả năng hấp phụ của chất hấp phụ bị giảm dần do
tạo cốc trên bề mặt khiến cho xúc tác mất dần hoạt tính.Vì vậy theo chu kỳ 2-3
năm người ta lại phải thay xúc tác một lần tuỳ thuộc vào bản chất và điều kiện làm
việc đối với từng chất hấp phụ.
I.3.3 Sấy khô khí bằng phương pháp hấp thụ [1]
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 nước đậm đặc của monoetylen glycol (EG) , dietylen glycol
(DEG) v, trietylen glycol (TEG),propylene glycol (PG)…. 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.


SVTH:Lê Anh Tuấn-CNCN Hoá Dầu-K55 Trang 7


Đồ án chuyên ngành

GVHD:PGS.TS.Lê Minh Thắng

Phương pháp hấp thụ trong sấy khí được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp
vì 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,các chất hấp thụ
dễ chế tạo.Các loại glycol tan hoàn toàn trong nước với bất kỳ tỉ lệ nào,các dung
dịch này không gây ăn mòn nên thiết bị có thể chế tạo không cần quá đắt tiền.
Bản chất của quá trình sấy bằng phương pháp hấp thụ là dùng cấu tử có khả
năng hấp thụ hơi nước cao đồng thời có khả năng hoà tan hydrocacbon khí thấp
khiến cho hỗn hợp khí sau khi hấp thụ có hàm lượng ẩm thấp.
Các chất hấp thụ dùng để sấy khí phải đáp ứng những yêu cầu sau:
Có khả năng hấp thụ hơi nước trong khoảng rộng nồng độ,áp
suất,nhiệt độ.
- Áp suất hơi bão hoà thấp để mất mát trong quá trình là ít nhất.
- Nhiệt độ sôi khác xa nhiệt độ sôi của nước để dẽ dàng tách nước
trong quá trình nhả hấp thụ.
- Độ nhớt thấp đảm bảo tiếp xúc tốt với hỗn hợp khí trong thiết bị
hấp thụ,thiết bị trao đổi nhiệt.
- Độ chọn lọc cao đối với các cấu tử có mặt trong khí,khả năng hấp
thụ hơi nước cao đồng thời khả năng hòa tan thấp các hydrocacbon
có trong khí.
- Tính ăn mòn kém.
- Khả năng tạo bọt kém khi tiếp xúc với dòng khí.
- Bền nhiệt,bền oxi hoá

- Không độc hại cho người làm việc và không gây ô nhiễm môi
trường
- Giá thành rẻ
So sánh ưu nhược điểm của các dung môi hấp thụ nước:
-

EG

Ưu điểm

Nhược điểm

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
hơn DEG và TEG nên
năng mất mát trong
trình làm việc lớn. Độ
tan các hydrocacbon
hơn DEG và TEG.

SVTH:Lê Anh Tuấn-CNCN Hoá Dầu-K55 Trang 8

cao
khả

quá
hòa
cao


Đồ án chuyên ngành

DEG

TEG

Metanol

GVHD:PGS.TS.Lê Minh Thắng

Ưu điểm

Nhược điểm

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.
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 nồng độ cao
không bị đông đặc. Độ bay hơi
TEG thấp hơn DEG.
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

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
Đòi hỏi chi phí đầu tư cao.
Dung dịch TEG có khả
năng tạo màng khi có mặt
các hydrocacbon nhẹ. Độ
hòa tan của hydrocacbon
trong TEG cao hơn DEG

Có áp suất riêng phần cao
lên khó tách ra khỏi khí khi
tái sinh. Tiêu hao lớn

Bảng 3 :So sánh một số đặc tính vật lý của các Glycol (dùng làm khô khí)

Các đại lượng hoá lý
Khối lượng phân tử
Tỷ trọng tương đối

EG
62,07
1,116

DEG
106,12
1,118

TEG
150,18
1,125

PG
76,9
1,034

Nhiệt độ sôi ở 760
mmHg (oC)
Nhiệt độ nóng chảy (oC)
Nhiệt độ bắt đầu phân
huỷ (oC)
Nhiệt độ tái sinh (oC)
Độ nhớt ở 20 oC (Cp)
Nhiệt dung riêng

197,3


244,8

278,3

188,2

-13
-

-8
164

-7,2
206

-60
-

165
20,9
2,35

164
35,7
2,09

206
47,8
2,20


56
2,47

SVTH:Lê Anh Tuấn-CNCN Hoá Dầu-K55 Trang 9


ỏn chuyờn ngnh

GVHD:PGS.TS.Lờ Minh Thng

(Kj/Kg.K)

Hỡnh 1: Nhit ụng c ca cỏc dung dch glycol cú nng khỏc nhau
So sánh qua u, nhợc điểm của các chất hấp thụ thì việc lựa chọn dung môi hấp
thụ DEG là u việt hơn cả vì giá thành cao nhng 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 nớc, 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 phơng pháp hấp thụ là
kinh tế, phạm vi rộng có thể sấy một lợng khí tơng đối lớn.

SVTH:Lờ Anh Tun-CNCN Hoỏ Du-K55 Trang 10


Đồ án chuyên ngành

GVHD:PGS.TS.Lê Minh Thắng

Chương II.Cơ sở hoá lý của quá trình sấy khí bằng

phương pháp hấp thụ
II.1.Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ[ 2]
Định nghĩa: Hấp thụ là quá trình hút khí bằng chất lỏng.Khí được hút được gọi
là chất bị hấp thụ,chất lỏng để hút gọi là dung môi (hay chất hấp thụ),khí không bị
hấp thụ gọi là khí trơ.
Quá trình hấp thụ được dùng để :
-

Thu hồi các cấu tử quý
Làm sạch khí

SVTH:Lê Anh Tuấn-CNCN Hoá Dầu-K55 Trang 11


Đồ án chuyên ngành
-

GVHD:PGS.TS.Lê Minh Thắng

Tách hỗn hợp khí thành từng cấu tử riêng biệt

Trong trường hợp thứ nhất và thứ ba ta bắt buộc phải tiến hành quá trình nhả
sau khi hấp thụ để tách cấu tử được hấp thụ ra khỏi dung môi.
II.1.1.Độ hoà tan của khí trong lỏng [2]
Khí hoà tan trong lỏng sẽ tạo thành hỗn hợp có 2 cấu tử,2 thành phần và 2
pha.Theo quy tắc pha ta có:
C=n+2–k
Trong đó:
-


C là số bậc tự do, đó là số biến số có thể tuỳ ý biến đổi mà không
làm thay đổi số pha của hệ.
n là số cấu tử của hệ
k là số pha

Vậy trong quá trình hấp thụ:
C=n+2–k=2+2–2=2
Với số bậc tự do C = 2 nên cân bằng pha có 2 thành phần.Cân bằng pha được
xác định bởi áp suất,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 thị bằng định luật Henry.
ycb = m.x
Trong đó:
-

Đối với khí lý tưởng m là hằng số,dung để biểu diễn mỗi quan hệ
ycb= f (x) là đường thẳng.Đối với khí thực m phụ thuộc vào x nên
đường cân bằng là đường cong.Hằng số cân bằng được tính:
m=Ψ/p

Với:Ψ là hệ số henry tra sổ tay và có thứ nguyên của áp suất
P là áp suất (at)
II.1.2.Ảnh hưởng của lượng dung môi đến quá trình hấp thụ [2]

SVTH:Lê Anh Tuấn-CNCN Hoá Dầu-K55 Trang 12


Đồ án chuyên ngành

GVHD:PGS.TS.Lê Minh Thắng


Để xét vai trò của dung môi trong hấp thụ ta dựa vào phương trình chuyển khối
chung và phương trình đường nồng độ làm việc.
Phương trình chuyển khối,lượng khí bị hấp thụ được tính:
G = KyF∆Ytb
Trong đó:
- G: Lượng khí bị hấp thụ
- Ky: Hệ số chuyển khối
- F:Tiết diện bề mặt thiết bị
- ∆Ytb:Đông lực trung bình của quá trình

Hình 2.Quan hệ X-Y
SVTH:Lê Anh Tuấn-CNCN Hoá Dầu-K55 Trang 13


Đồ án chuyên ngành

GVHD:PGS.TS.Lê Minh Thắng

Với :X :nồng độ của dung môi,kmol/kmol dung môi
Y :nồng độ của hỗn hợp khí,kmol/kmol khí trơ
Trong điều kiện nhất định G là lượng không đổi và có thể coi hệ số chuyển
khối Ky cũng không đổi.Do đó bề mặt tiếp xúc pha F chỉ được thay đổi tương ứng
với sự thay đổi ∆Ytb ,sao cho tích số F. ∆Ytb là không đổi.Bề mặt F thay đổi tức là
kích thước thiết bị thay đổi.Khi F tăng thì thiết bị lớn và ngược lại.
Từ đồ thị hình 1 ta thấy,khi Y đ, Yc và Xđ cố định thì nồng độ cuối của dung
môi được quyết định theo động lực trung bình ∆Y tb ,tức là điểm cuối của đường
làm việc AB.Điểm cuối cả đường làm việc dịch chuyển từ A 1 đến A4 .Đường làm
việc BA4 cắt đường cân bằng,lúc này động lực trung bình ∆Ytb nhỏ nhất.Đường BA
gần với trục tung nên động lực trung bình là lớn nhất.
Vì F∆Y tb không đổi nên ứng với đường AB 4 cho ra F lớn nhất và ứng với

đường AB cho F bé nhất.Tương tự,tại A4 ta có Xc lớn nhất và tại A có Xc bé
nhất.Dựa vào phương trình đường nồng độ làm việc ta cũng thấy tương ứng với
đường AB4 có A=Gx/Gtrơ bé nhất (có nghĩa là lượng dung môi bé nhất,còn ứng với
đường AB thì Gx/Gtrơ lớn nhất nên lượng dung môi lớn,vì lượng khí trơ G trơ không
đổi).
Vì vậy,nếu chọn lượng dung môi ít nhất,ta thu được X c lớn nhưng thiết bị phải
rất lớn,trái lại nếu chọn lương dung môi lớn nhất thì thiết bị bé nhưng ta thu được
dung dịch có Xc bé.Do đó khi chọn điều kiện làm việc ta cần chọn phù hợp với chỉ
tiêu kinh tế,kỹ thuật.
c.Ảnh hưởng của nhiệt dộ và áp suất lên quá trình hấp thụ
Nhiệt độ và áp suất là những yếu tố ảnh hưởng quan trọng lên quá trình hấp
thụ,mà chủ yếu ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và động lực của quá trình.
Từ phương trình Henry ta thấy,khi nhiệt độ tăng thì hệ số Henry tăng,nên
đường cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trục tung.

SVTH:Lê Anh Tuấn-CNCN Hoá Dầu-K55 Trang 14


Đồ án chuyên ngành

GVHD:PGS.TS.Lê Minh Thắng

Hình 3.Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thụ
a,Ảnh hưởng của nhiệt độ t1 < t2 < t3 ; b,ảnh hưởng của áp suất P1 > P2 > P3
Vì vậy,nếu đường làm việc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ giảm,do
đó cường độ chuyển khối cũng giảm theo.Nếu ta cứ tiếp tục tăng nhiệt độ,ví dụ đến
t3 thì không những động lực trung bình giảm mà ngay cả quá trình cũng không thực
hiện được (vì đường cân bằng và đường làm việc cắt nhau,nên không thể đạt được
nồng độ cuối Xc).Đó là ảnh hưởng xấu của sự tăng nhiệt độ.Tuy nhiên, khi nhiệt độ
tăng thì độ nhớt của dung moi giảm (có lợi với trường hợp trở lực chủ yếu trong

pha lỏng),vận tốc khí tăng,cường độ chuyển khối cũng tăng theo.
Trong trường hợp tăng áp suất,ta thấy hệ số cân bằng m= Ψ/P sẽ giảm,do đó
đường cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trục hoành,tức là động lực trung bình sẽ
tăng lên,quá trình chuyển khối sẽ tốt lên (hình 2).Nhưng sự tăng áp suất luôn kèm
theo sự tăng nhiệt độ,nên nó cũng gây ra ảnh hưởng xấu đến quá trình hấp thụ.Mặt
khác sự tăng áp suất cũng gây khó khăn về mặt thiết bị, vì vậy quá trình hấp thụ chỉ
được thực hiện ở áp suất cao đối với những khí khó hoàn tan.Ví dụ hấp thụ khí
CO2 bằng nước tiến hành ở 17at,thu hồi CO ở áp suất 120at,…..
II.2.Tính chất lý hoá của hệ hydrocacbon-nước [1]
II.2.1.Hàm ẩm [1]
Khí tự nhiên và khí đồng hành khai thác từ các mỏ dưới lòng đất luôn bão hoà
hơi nước.Hàm lượng hơi nước có trong hỗn hợp khí phụ thuộc vào áp suất,nhiệt độ
SVTH:Lê Anh Tuấn-CNCN Hoá Dầu-K55 Trang 15


Đồ án chuyên ngành

GVHD:PGS.TS.Lê Minh Thắng

và thành phần khí.Tại mỗi giá trị áp suất và nhiệt độ có thể xác đinh được hàm
lượng ẩm tối đa của khí.Hàm ẩm tương ứng với trạng thái khí bão bão hoà hơi
nước gọi là hàm ẩm cân bằng hay còn gọi là độ ẩm cân bằng.
Để biểu diễn hàm lượng hỏi nước có trong không khí, người ta sử dụng khái
niệm: độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối. Độ ẩm tuyệt đốt là lượng hơi nước có
trong một đơn vị thể tích hoặc một đơn vị khối lượng khí ( và đượ biểu điễn bằng
g/m3 khí hoặc g/k khí). Độ ẩm tương đốt là tỷ số giữa khối lượng hơi nước có trong
không khí và khối lượng hơi nước tối đa có thể có trong kkhoong khí ở điều kiện
bão hòa 9 biểu diễn theo phần trăm hoặc phần đơn vị). Nếu giảm nhiệt độ khí bão
hòa hơi nước còn áp suất không đổ, thì một phần hơi nước bị ngưng tụ. Nhiệt độ
tại dó hơi nước có trong không khí bắt đầu ngưng tụ được gọi alf điểm sương của

khí ẩm tại áp suất đã cho.
Hàm ẩm của khí phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ của hệ và thành phần hỗ hợp
khí. Có nhiều phương pháp xác định hàm ẩm của khí trong đó các phương pháp
sau phổ biến:
-

Sử dụng quan hệ giữa áp suất riên phần và thành phần lỏng hơi
Sử dụng các đường con thực nghiệm phụ thuộc của hàm ẩm vào nhiệt độ và
áp suất
Hiệu chỉnh các đường con trên khi có mặt của H2S, CO2, N2
Sử dụng phương trình dạng P-V-T

II.2.2.Các phương pháp xác định hàm ẩm của khí [1]
•

Sử dụng quan hệ giữa áp suất tiêng phần và thành phần lỏng hơi

Trường trường hợp áp suất của hệ thấp, tới 400Pa, hỗn hợp khí có thể coi là khí lý
tưởng, khi đó có thể áp dụng đinh luật Raoult đối với nước:
P.yw = Ph . xw
Trong đó:
P :áp suất tuyệt đối của hệ
yw :phần mol nước trong pha hơi
Ph :Áp suất hơi của nước tại nhiệt độ hệ
SVTH:Lê Anh Tuấn-CNCN Hoá Dầu-K55 Trang 16


Đồ án chuyên ngành

GVHD:PGS.TS.Lê Minh Thắng


xw :phần mol của nước trong pha lỏng (x=1)
Phần mol xw trong pha lỏng có thể lấy bằng 1 bởi vì pha lỏng không pha
trộn.Như vậy,nếu biết áp suất của hệ và áp suất hơi riêng phần của hơi nước ta có
thể tính được phần mol của nước trong pha hơi.
•

Sử dụng đường cong thực nghiệm

Xác định hàm lượng nước trong khí có ý nghĩa rất quan trọng trong tính toán
quá trình sấy khí.tính toán lương nước ngưng tụ trên đường ống dẫn khí…
Giả dụ tại một điểm trên đường con ở hình IV.1, xác định được hàm lượng
nước là 200kg/106 m3. Cũng trên đường con đó dịch xuống phía dưới xác định
được 1 điểm ứng với hàm lượng nước là 100kg/10 6 m3, cos nghĩa là lượng nước dư
đó nếu không được lấy ra thì sẽ có 100kg nước ngưng tụ trên đường ống dẫn 10 6
m3 khí. Lượng nước này có thể ở dụng hydrat, ngăn cản quá trình vận chuyển khí
trên đường ống, hoặc gây ăn mòn đường ống và thiết bị. Quá trình dehydrat hay
còn gọi là quá trình sấy khí sẽ làm hạn chế sự ngưng tụ hơi nước có trong khí.
Hình 3 được sử dụng để xác định hàm ẩm cho khí tự nhiên khô ngọt, với sai
số 6… 10%. Tuy nhiên sự có mặt CO 2 và H2S trong khí với hàm lượng đáng kể sẽ
làm cho kết quả nhận được có sai số lớn hơn. Vì vậy, ứng dụng thực tế chấp nhận
được khi nồng độ CO2 và H2S nhỏ và áp suất thấp.

SVTH:Lê Anh Tuấn-CNCN Hoá Dầu-K55 Trang 17


Đồ án chuyên ngành

GVHD:PGS.TS.Lê Minh Thắng


Hình 4. Hàm lượng ẩm của khí tự nhiên khô ngọt
II.3.Sự tạo thành hydrat của hệ hydrocacbon-nước [1]
II.3.1.Cấu trúc tinh thể hydrat [1]
Nước có trong hỗn hợp khí luôn luôn tạo thành hydrat với các cấu tử có trong
thành phần hỗn hợp khí.Các hydrat này có cấu trúc tinh thể và về bản chất là các
dung dịch rắn,còn dung môi là các phân tử nước lien kết với nhau bằng liên kết
hydro.Các phân tử hydrocacbon nhẹ (như metan,etan,propan,butan) thâm nhập vào
SVTH:Lê Anh Tuấn-CNCN Hoá Dầu-K55 Trang 18


Đồ án chuyên ngành

GVHD:PGS.TS.Lê Minh Thắng

mạng lưới này tạo thành mạng tinh thể hydrat bền vững.Về cấu trúc các tinh thể
hydrat có hai loại ô mạng cơ sở như hình 3.
Các chấm tròn chỉ các phân
tử nước,các đoạn thẳng chỉ liên kết
hydro.Bằng phương pháp nhiễu xạ
Rơnghen đã cho thấy cấu trúc tinh
thể hydrat có dạng 12 mặt,mỗi mặt
là hình 5 cạnh.Cấu trúc này có thể
biến đổi thành các dạng 14 mặt và
16 mặt như hình 3.
Dạng cấu trúc I (14-hedron)
có hằng số mạng là 12Ǻ,chứa 46 phân
tử nước sắp xếp thành 8 lỗ trống,trong
đó có 2 lỗ trống ở dạng 12 mặt,6 lỗ
trống còn lại ở


Hình 5.Ô mạng cơ sơ của tinh thể hydrat

dạng 14 mặt.Các phân tử metan có thể chui vào bất kỳ lỗ trống nào,trong khi các
phân tử etan chỉ có thể chui vào các lỗ trống lớn.Nhưng cũng có một vài ô mạng
không bị các phân tử hydrocacbon chui vào chiếm chỗ,do các phân tử này có định
hướng không phù hợp.Các hydrocacbon có cấu trúc phân tử cồng kềnh hơn như
propan và butan không thể chui vào các lỗ trống thuộc dạng cấu trúc I này.
Dạng ô mạng tinh thể thứ hai,cấu trúc II,16 mặt,có hằng số mạng là 17Ǻ.Ô
mạng cơ sở chứa 136 phân tử nước.Với cấu trúc chứa 16 lỗ trống nhỏ dạng 12 mặt
và 8 lỗ trống lớn dạng 12 mặt (có 4 mặt 6 cạnh và 12 mặt 5 cạnh).Dạng cấu trúc II
này có thể bẫy được các phân tử lớn như propan,n-butan,izo-butan.
Ngoài các yếu tố kích thước phân tử,yếu tố thứ hai ảnh hưởng đến sự hình
thành hydrat là tính hoà tan trong nước của các hydrocacbon.Sự có mặt của các tạp
chất như H2S ,CO2 ,N2 có ảnh hưởng đáng kể đến sự tạo thành hydrat.
II.3.2.Cân bằng của quá trình tạo hydrat [1]
Trên hình 4 là các đường đặc trưng của quá trình tạo hydrat của các cấu tử
trong khí tự nhiên,cho biết điều kiện hình thành hydrat: miền phía dưới và bên phải
các đường này không tạo thành hydrat.Ở giá trị nhiệt độ nào đấy đường cân bằng
SVTH:Lê Anh Tuấn-CNCN Hoá Dầu-K55 Trang 19


Đồ án chuyên ngành

GVHD:PGS.TS.Lê Minh Thắng

trở thành thẳng đứng,giá trị nhiệt độ đó được gọi là nhiệt độ cực đại của quá trình
tạo hydrat của các cấu tử đó.

Hình 6: Điều kiện tạo hydrat của các cấu tử trong khí tự nhiên
Ví dụ:Hình 5 mô tả đặc tính của hệ propan-nước:


SVTH:Lê Anh Tuấn-CNCN Hoá Dầu-K55 Trang 20


ỏn chuyờn ngnh

GVHD:PGS.TS.Lờ Minh Thng

Hỡnh 7:iu kin to hydrat ca propan
ToC < 0oC (32oF):tn ti c hai dng nc ỏ v hydrat phớa trờn ng
cong cõn bng,cũn phớa di ng cong ch cú nc ỏ v hi.
ToC > 0oC (32oF): hydrat pha rn ch cú bờn trỏi ng cong cõn bng to
hydrat.Nhit ti ranh gii gia hai min l nhit cc i to hydrat ca cu t
tinh khit (trong truũng hp ny l propan).
II.4.c im tớnh cht hoỏ lý ca cht hp th [1]
Dietylenglycol ( DEG ) là một loại rợu đa chức có công thức phân tử là C 4H10O3
( CH2OH-CH2O-CH2-CH2OH ) nó là một loại rợu gồm hai nhóm OH và một liên
kết ete, nó tan vô hạn trong nớc sau đó độ tan giảm nhanh khi nồng độ tăng. Khi
tan trong nớc nó hình thành liên kết Hydro giữa DEG và nớc.

. H-O . H-O . H-O
SVTH:Lờ Anh Tun-CNCN Hoỏ Du-K55 Trang 21


ỏn chuyờn ngnh

GVHD:PGS.TS.Lờ Minh Thng
R

H


R

Nhiệt độ sôi của DEG lớn hơn nhiệt độ sôi của hydro- cacbon tơng ứng vì giữa
các phân tử xuất hiện liên kết hydro bền vững vì vậy nó dễ dàng hấp thụ nớc. Quá
trình sấy khí bằng DEG dựa trên những tính chất vật lý của DEG ( vì đây là hấp thụ
vật lý ) nh 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 sơng,
nhiệt độ và áp suất tiếp xúc, hàm ẩm.
II.4.1 Mt s tớnh cht húa lý ca DEG [3]
Các glycol là những dung môi lỏng (hay các rợu đa chức) dùng trong quá trình
sấy khí nhằm mục đích tách ẩm (hay hút nớc) trong khí, các dung môi sử dụng nh :
DEG, PG, TEG, EGGlyxerin.
Những chất hấp thụ trên đều có những u, nhợc điểm riêng nhng trong các chất
hấp thụ trên thì ta dùng chất hấp thụ - sấy khô khí là hiệu quả nhất cả về vốn, đầu t
và năng suất.
Bng 4 :Mt s tớnh cht húa lý ca dung mụi DEG:
Khi lng phõn t


20
20

T trng tng i
Nhiệt độ sôi ở 760mmHg
Nhiệt độ nóng chảy
Nhiệt độ bắt đầu phân huỷ
Nhiệt độ tái sinh

Độ nhớt ở 200C
Nhiệt dung riêng
áp suất hơi, at, 250C
Chỉ số khúc xạ, 250C
Chỉ số axit, mg của KOH/g
Sự tuyển ớt (tuyển khoáng), wt %
Tỷ nhiệt, 250C
Điểm cháy, 0C

106,12
1,118
224,8 oC
-8 oC
164 oC
164 oC
35,7 cP
2,09 KJ/Kg oC
0,01
1,446
<0,05
<0,02
0,05
138

SVTH:Lờ Anh Tun-CNCN Hoỏ Du-K55 Trang 22


ỏn chuyờn ngnh
Nhiệt độ bốc cháy, 0C
Điểm sôi, 760mmHg,0C

Điểm sôi, 760mmHg,0F
Tỷ trọng ở 250C, g/cm3
Tỷ trọng ở 600C, g/cm3
Nhiệt độ hạ điểm chảy,0C
Độ nhớt, cP, ở 250C
Độ nhớt, cP, ở 600C
Chng cách lỏng
Màng hơi ngng tụ
Tinh chế,%
Sức căng bề mặt, N/m2 (200C)
Độ nhớt ở 200C
áp suất hơi ở 200C, Pa
Giới hạn nổ thấp
Nhiệt độ điểm cháy của hydro-cacbon
cao nhất ở 250C

GVHD:PGS.TS.Lờ Minh Thng
143
244,8
472,6
1,113
1,088
-54
28,2
6,99
0,3
0,17
99,60
4,85
36,0

2,7
0,7
9,29

Những đặc trng của DEG :
DEG có độ hoà tan hydro-cacbon thấp, khả năng tạo bọt kém. ở những áp suất
cao ngời ta hay dùng DEG vì có độ chọn lọc cao. Độ hoà tan của khí tự nhiên trong
TEG cao hơn 25% ữ 30% so với DEG. Trong quá trình sấy khí mất mát glycol
khoảng 0,25 ữ 0,75 lít trên 1000 lít chất lỏng ngng tụ, do sự hoà tan của glycol
trong pha ngng tụ phụ thuộc vào thành phần khí đa vào sấy.
Nhiệt độ đông đặc của DEG thấp (- 40 0C) có thể sử dụng đợc ở những vùng có
điều kiện khí hậu thay đổi. Độ nhớt của dung dịch DEG trong nớc tăng lên với sự
tăng nồng độ và độ nhớt của dung dich giảm đi khi tăng nhiệt độ .
Trong thực tế có trờng hợp cần sấy khí ở nhiệt độ thấp, khi đó dung dịch DEG
trong nớc 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 đợc ở nhiệt độ cao hơn
-100C, nhiệt độ dới -100C có độ nhớt rất cao, khó tách khỏi pha lỏng nếu có dầu
trong đó. Còn khi nhiệt độ vào khoảng -8 0C ữ - 70C thì DEG trở thành chất rắn. Vì
vậy, để giảm độ nhớt của dung dịch DEG ngời ta thêm các dung môi hữu cơ. Các
SVTH:Lờ Anh Tun-CNCN Hoỏ Du-K55 Trang 23


ỏn chuyờn ngnh

GVHD:PGS.TS.Lờ Minh Thng

dung môi này cũng đồng thời làm chất sấy và không có khả năng tạo bọt nh rợu,
benzylic, phenyletylic, các rợu thơm, rợu thẳng Các chất này đều có độ nhớt nhỏ
hơn DEG tan tốt trong DEG (I-121).
Bng 5: Giới hạn nồng độ cho phép của dung dịch DEG (% khối lợng) cần phải

duy trì trong hệ ở các nhiệt độ khác nhau
Nhiệt độ

DEG

-22,30C

48 ữ 91

-28,90C

51 ữ 88

-34,40C

56 ữ 85

-45,60C

51 ữ 88

Trong thực tế ngời ta sử dụng rộng rãi nồng độ DEG là 60% ữ 80% khối lợng.
II.4.2 Sự phụ thuộc áp suất hơi bão hoà của dung dịch DEG vào nhiệt độ.[1]
Trên hình 4 (phụ lục) là đồ thị biểu diễn áp suất hơi bão hoà cả dung dịch nớc
DEG có nồng độ khác nhau. Nhờ đồ thị này có thể xác định đợc 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 164 0C. Vì vậy để tái sinh DEG cần
phải thực hiện ở áp suất thấp dới 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 206 0C,

vì vậy tái sinh TEG ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tái sinh đối với DEG và không cần
chân không (I-120).

SVTH:Lờ Anh Tun-CNCN Hoỏ Du-K55 Trang 24


ỏn chuyờn ngnh

GVHD:PGS.TS.Lờ Minh Thng

90
85

98

99

100

95
1000
600
200
100
60
20
10
6
2
1

0.6

Hình 8. Đồ thị phụ thuộc ấp suất hơi bão hoà của dung dịch
DEG vào nhiệt độ (1-120)
0,2
II.4.3.
Sự
phụ
thuộc
nhiệt
độ
điểm sơng của hỗn hợp khí vào nhiệt độ tiếp xúc
0.1
với dung dịch DEG.[1]
Trên hình 2 (phụ lục) biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ điểm sơng 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 20 0C có khả năng giảm nhiệt độ điểm s40 60 80 110 150 210
0C, 0còn20
ơng của khí tới-20
-5-10
dung
dịch 98% ở cùng nhiệt độ có khả năng giảm điểm s-

SVTH:Lờ Anh Tun-CNCN Hoỏ Du-K55 Trang 25