Prepared by
Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page
144 PHẦN 13
LÀM KHÔ KHÍ BẰNG GLYCOL
Khí được làm khô với mục đích tách hơi nước ra khỏi khí gas để tránh hiện tượng có nước tự
do xuất hiện trong hệ thống (nứơc là nguồn gốc của hiện tượng hydrates và ăn mòn) và tạo ra 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. Trong công nghiệp các phương pháp làm khô khí sau đây thường được sử
dụng: hấp thụ bằng các chất lỏng hút ẩm như diethylene glycol (DEG), triethylene glycol (TEG),
monoethylene glycol (MEG), tetraethylene glycol (TREG), hấp thụ hơi nước bằng các tác nhân sấy
rắn hoạt tính, ngưng tụ ẩm do nén, hoặc (và) làm lạnh khí.
Với ưu điểm của TEG có độ hút ẩm cao, tạo được điểm sương cho khí sau làm khô khá cao
(-47
o
C) . khi tái sinh dễ dàng thu được dung dòch có nồng độ khối lượng cao trên 99% nên nó được
dùng trong hầu hết các hệ thống làm khô khí.
Sơ đồ công nghệ tiêu biểu cho cụm làm khô khí như sau:
o
C nhiệt độ tháp tiếp xúc là 46
o
C
để đạt được các yều nhiệt độ điểm sương này trong khi tra đồ thò ta lấy giảm nhiệt độ điểm sương
xuống thêm 10
o
C vậy khi đó nhiệt độ điểm sương là –15
o
C. Tọa độ của điểm sương cân bằng –
15oC và nhiệt độ tháp tiếp xúc 46
o
C rơi vào đường nồng độ glycol sạch là 99.5%. đây chính là
nồng độ glycol sạch yêu cầu .
Đường nồng độ đứt đoạn ứng với nồng độ 98.5% đây là giới hạn của nồng độ glycol có thể
tái sinh ở 204
o
C áp suất bình tái sinh là áp suất điều kiện tiêu chuẩn. Khi muốn đạt nồng độ glycol
sau khi tái sinh lớn hơn thì phải được tái sinh trong điều kiện áp suất chân không (bé hơn 101 Kpa)
hoặc (và)ø có sự tham gia của khí stripping gas. Cứ giảm đi 1 kpa trong bình tái sinh thì nồng độ
phần trăm khối lượng glycol sạch tăng thêm 0.014% Khí stripping gas này phải là khí sạch nó được
đưa vào thiết bò tái sinh với mục đích là làm giảm áp suất hơi nước trên bề mặt dung dòch, thúc đẩy
sự bốc hơi nước ra khỏi dung dòch . Trong thiết bò tái sinh glycol nhiệt độ được duy trì trong khoảng
190
o
C -204
o
C nếu ở 206.7
o
C thì TEG sẽ bò phân huỷ. Nếu ở bình tái sinh có áp suất thấp 10 ->13
3. Tính lượng nước bão hoà của khí gas khi ra khỏi tháp tiếp xúc W_outlet (kg/10
6
std m
3
)
Bước 2 & 3 tra đồ thò hình 4.1
4. Tính tỉ số (W_inlet - W_outlet)/ W_inlet sau đó có số tầng lý thuyết của contactor N tra các
đồ thò 13.5 đến 13.9 ta có lưu lượng tuần hoàn của TEG (m3 TEG/kg H2O)
5. Density của TEG = 1.12kg/liter
6. Để tra lưu lượng stripping gas ta dùng đồ thò 13.3
Hình 13.3 : Đồ thò tra lưu lượng khí stripping cho still column
Ví dụ bài toán
:
Hệ thống làm khô khí cho dòng khí 3x10
6
std m
3
/d, γ=0,6, áp suất 12500kpa và 40
o
C, nhiệt
độ điểm sương yêu cầu –5
o
C contactor có số mâm lí thuyết N=1.5. Tính toán nồng độ tối thiểu
của glycol sạch và lưu lượng tuần hoàn
Prepared by
Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page
147
TEG x
2,48 = 2,48 std m
3
/h
Tính toán kích cỡ contactor:
Vận tốc cho phép của khí gas khi qua contactor:
v= K
s
[(ρ
L
-ρ
g
)/ρ
g
]
0,5
K
s
= 0,055m/s nếu contactor dùng bublecaps
= 0,09->0,105 contactor dùng structured packing
ρ
L
khối lượng riêng pha lỏng với hệ TEG-H2O thì = 1120kg/m3
ρ
g
khối lượng riêng pha khí ở điều kiện contactor kg/m3
riêng đối với contactor dùng structured packing thì có thể dùng v= 3/(
ρ
g
/(86400P
act
T
std
)
m (kg/s) lưu lượng khối lượng dòng khí gas
q
std
(std m3/d) lưu lượng thể tích dòng khí
Ví dụ: TEG vào contactor để làm khô dòng khí gas 1x10
6
std m3/d ở 40
o
C, 7000kpa, hệ số
nén của khí là z=0,85, Mw = 19 tính kích cỡ contactor dùng bublecaps, structured packing
Giải:
ρ
g
= 7000x19/(0,85x8,314x313) = 60 kg/m3
v= K
s
[(
ρ
L
-
ρ
g
)/
ρ
π
v)]
0,5
= [4x0,154/(0,23x3,14)]
0,5
= 0,92m
contactor dùng structured packing
(K
s
= 0,09->0,105)
Prepared by
Haứ quoỏc Vieọt pro Eng gas comp platform page
148
v=0,095[(1120-60)60]
0,5
=0,39m/s
hoaởc
v= 3/(
g
)
0,5
= 3/60
0,5
= 0,39
d = [4q
act
/(
Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page
150Hình 13.7:
Đồ thò tra lưu lượng glycol sạch (N = 2)
Hình 13.8
Đồ thò tra lưu lượng glycol sạch (N = 2.5)Prepared by
Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page
151Hình 13.9:
Đồ thò tra lưu lượng glycol sạch (N = 3)
LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ
Làm khô khí bằng glycol hay ức chế tạo hydrate bằng methanol thường được dùng khi chuẩn bò cho
khí gas vào đường ống vận chuyển đi xa, còn làm khô khí bằng chất hấp phụ là một chọn lựa cao
cấp khi khí có yêu cầu cao chẳng hạn như dewpoint –50
o
C trước khi vào nhà máy NGL, LNG. Hay
phải loại bỏ các thành phần không có lợi như CO2, H2S, COS… để làm ngọt khí gas. Hấp phụ là
quá trình tập trung khí gas cho tiếp xúc với các chất có khả năng giữ nước ở nhiệt độ thấp sau đó
các chất hấp phụ này lại nhả nước khi nhiệt độ tăng cao. Các chất hấp phụ thường có bề mặt tiếp
xúc rất lớn từ 500 đến 800m
2
/g.
Các hất hấp phụ có thể chia thành các loai sau:
Boxit: là các khoáng chất thiên nhiên chứa chủ yếu là Oxyt nhôm Al
2
O
3
Alumina Oxyt nhôm hoạt hoá đó là các boxit đã làm sạch.
Gel: là các hợp chất cấu tạo từ SiO
2,
hay alumina gel
Molecular Sieves: là các zeolite của potassium, sodium,calcium
Charcoal: Than hoạt tính.
Chọn lựa chất hấp phụ:
Việc chọn lựa loại chất hấp phụ nào phụ thuốc vào nhiều yếu tố như dewpoint hơi ẩm, hàm
lượng H2S, CO2,…yêu cầu kinh tế…
Theo dewpoint hơi ẩm ta có thể tham khảo khả năng một vài chất hấp phụ phổ biến như:
Chất hấp phụ Dewpoint đạt được
o
Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page
154
Hình 14.2: các vùng trong tháp hấp phụ
Khi khí gas ẩm đi vào tháp thì tồn tại ba vùng trong cột hấp phụ: vùng 1 là vùng cân bằng trong
vùng này chất hấp phụ đã bão hoà nước, vùng 2 (vùng MTZ) là vùng chuyển tiếp bờ trên bão hoà
100% còn bờ dưới là 0%, vùng 3 là vùng hoạt tính hoàn toàn không ngậm nước. Khi bờ dưới của
MTZ di chuyển đến đáy của cột hấp phụ thì quá trình hấp phụ trong tháp này phải dừng lại nếu
không lượng nước trong gas sẽ gia tăng.
KHẢ NĂNG CỦA CHẤT HẤP PHỤ:
Khả năng hấp phụ nước của chất hấp phụ được hiểu là khối lượng nước bò hấp phụ trên một đơn vò
khối lượng chất hấp phụ.
Khả năng hấp phụ nước tónh: là khả năng hấp phụ nước của chất hấp phụ
mới
ở trạng thái tónh ( no
fluid flow) (hình 14.3)
Hình:14.3: Đồ thò tra khả năng hấp phụ nước tónh của chất hấp phụ khi còn mới
Khả năng hấp phụ nước động: là khả năng hấp phụ nước của chất hấp phụ mới ở trạng thái động
(fluid flow) thường lấy bằng khoảng 50~70% (Khả năng hấp phụ nước tónh)
Khả năng hữu ích: đó là khả năng của chất hấp phụ thực tế còn lại suy giảm theo thời gian so với
lúc còn mới (hình 14.4 cho silica gel)
Prepared by
Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page
155Hình 14.4: Khả năng hấp phu ïhữu ích sụt giảm theo thời gian của Silica gel
s
còn phụ thuộc vào nhiệt độ, đồ thò 14.5. Xác đònh hệ số
nhân hiệu chỉnh cho x
s
Prepared by
Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page
156
Hình14.5: đồ thò tra hệ số nhân hiệu chỉnh vì nhiệt độ cho khả năng hấp phụ nước động x
s
của
silicagel và nhôm hoạt tính
Đối với molecular sieve khi nhiệt độ bé hơn 70
o
C thì không cần phải hiệu chỉnh x
s
Chiều dài MTZ : chiều dài MTZ phụ thuộc thành phần khí, vận tốc khí, cỡ hạt hấp phụ, độ ẩm khí
RH, độ sạch của cột hấp phụ.
Chiều dài MTZ có thể ước lượng như sau:
h
Z
= (C)0,115[q
std
0,2389
W
0,7895
/(n-1) với n là số tháp. Như vậy số tháp n phải phù hợp để đủ thời
gian tái sinh. Nếu khí bão hoà nước thì một chu kì hấp thụ thường là 8~16 giờ, nếu khí đã được làm
khô bằng glycol trước đó thì một chu kỳ hấp thụ là khoảng 24~30 giờ
Kích thước của tháp liên quan đến vận tốc khí, sụt giảm áp suất cho phép
Phương trình Ergun cho ta độ sụt giảm áp suất theo chiều dài như sau:
∆P/L = Bµv
g
+Cρ
g
v
g
2
∆
P/L áp suất sụt giảm theo chiều dài (kpa/m) [thường vào khoảng 7~10 kpa/m]
∆P không nên vượt quá 70kpa.
µ độ nhớt khí (cp)
v
g
vận tốc khí bề mặt (m/s)
ρ
g
khối lượng riêng khí (kg/m3)
B và C tuỳ theo hình dáng kích cỡ hạt hấp thụ như sau
v
g
ước lượng như sau v
g
= A/
= 400m
w
/(πxρ
B
d
2
)
h
B
chiều cao cột hấp thụ (m)
Prepared by
Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page
157
m
w
khối lượng nước bò hấp thụ trong một chu kì (kg)
x khả năng hấp phụ hữu ích (%)
ρ
B
khối lượng riêng của chất hấp phụ (kg/m3)
d đường kính tháp (m)
Chiều cao của tháp hấp phụ sẽ gồm chiều cao cột hấp phụ cộng với chiều dày các thành phần ổn
đònh và khoảng không cần thiết (chiều cao thêm vào khoảng 1~1,5m) xem hình 14.6
Hình 14.6: Cấu tạo của một tháp hấp phụ
Tốt nhất tỉ số h
B
/d khoảng 2,5~6
= A/
ρ
g
0,5
= 67/(52,1)
0,5
= 9,3 m/min
q
a
= (q
s
/1440)(P
s
/P)(T/T
s
)z (m3/minus) = (1000000/1440)(101,3/6000)(303/288)0,86 = 10,6 m3/min
Đường kính tháp: d= (4q
a
/π/v
g
)
0,5
= (4x10,6/3,14/9,3)
0,5
= 1,2 m
Lượng nước bò hấp phụ trong một chu kỳ là:
m
w
= (1x10
= (4,16)(0.014)(9,3)+(0,00135)(52,1)(9,3)
2
= 6,6 kpa / m OK!
[thường vào khoảng 7~10 kpa/m]
∆
P = 6,6x4,5 = 30 kpa không nên vượt quá 70kpa. OK!
Chiều dài MTZ có thể ước lượng như sau:
h
Z
= (C)0,115[q
std
0,2389
W
0,7895
RH
0,5249
/d
0,4778
][P/(Tz)]
0,5506
=0,6x0,115[1
0,2389
720
0,7895
100
0,5249
/1,2
0,4778
][6000/(303x0,86)]
Nguyên lý thể tích:
Nguyên lý này là tạo ra một thể tích thay đổi từ nhỏ đến lớn và ngược lại. Khi thể tích bơm từ
bằng không tăng dần đến giá trò lớn nhất đó là quá trình nạp lưu chất. Khi thể tích giảm dần về giá
trò không là quá trình nén đẩy lưu chất. Cứ một chu kỳ hút đẩy bơm vận chuyển được một thể tích
lưu chất cố đònh. Trong quá trình bơm làm việc sự thay đổi trạng thái của lưu thể luôn tuân theo
công thức sau:
PV = const và PV
k
= const.
P là áp suất lưu chất, V là thể tích, k = 1,4 hệ số.
Các loại bơm áp dụng nguyên lý này là: bơm piston, bơm bánh răng, bơm trục vít,
Nguyên lý ly tâm:
Hình 14.1
:
Mặt cắt bơm ly tâm nhiều tầng cánh
Nguyên lý cánh nâng:
Nguyên lý này dùng trong thiết kế cánh máy bay
Dòng chất lỏng chuyển động đến cánh và bao trùm lên cánh, cánh được đặt ngiêng góc δ so với
dòng chất lỏng nên phía trên lưng cánh tạo nên các xoáy lưu thể chính vì vậy mà dòng lưu thể đã
tác động lên cánh một lực nâng R
Loại bơm tiêu biểu: bơm cánh nâng (hay bơm hướng trục)
Nguyên lý phun tia:
Prepared by
Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page
160
Nguyên lý này dựa trên nguyên tắc bảo toàn năng lượng của dòng lưu thể nghóa là khi vận tốc tăng
lên thì áp suất giảm đi hoặc ngược lại, như vậy tại chỗ dòng chảy của lưu thể có vận tốc lớn đột
Xâm thực là sự phá huỷ liên tục của lưu chất đối với bề mặt vật liệu bơm, đó là do cột áp
hút đầu vào hữu ích NPSHA nhỏ làm áp suất đầu vào bơm giảm xuống bằng áp suất bay hơi tương
ứng với nhiệt độ hiện tại của chất lỏng. Sư bay hơi mãnh liệt của chất lỏng tạo ra khối lượng bọt
rất lớn liên tục tách ra khỏi bề mặt vật liệu tiếp xúc với dòng chẩy đồng thời các hạt chất lỏng
không ngừng lao vào để thế chỗ các bọt khí tách ra nên va đập thuỷ lực rất lớn làm rỗ và phá huỷ
kim loại.
Để tránh rơi vào vùng hai pha và tách khí, người ta phải tạo cho chất lỏng một lượng áp
suất bổ sung bù cho sự tổn hao trên bằng cách tạo cột áp thuỷ tónh Hs giữa bồn chứa và nơi đặt
bơm như hình dưới
Prepared by
Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page
161NPSHA ( NPSH hữu ích) sẽ được tính toán cụ thể như sau:
NPSHA = A(P
s
- P
v
-
∆
P
f
)/
γ
+ H
s
– H
m
Prepared by
Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page
163
Hình 14.4 : Bơm một tầng cánh
SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN BƠM:
Hình 14.5 Sơ đồ công nghệ điều khiển bơm Prepared by
Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page
164
PHẦN 17
MÁY NÉN KHÍ
1.
GIỚI THIỆU:
Thường phải dùng các máy nén khí nhằm gia tăng áp suất để vận chuyển khí theo hệ thống
ống vận chuyển. Một ứng dụng nữa của máy nén khí là làm giảm thể tích khí giúp thuận lợi cho
việc vận chuyển khí bằng tàu hay tồn trữ , máy nén khí có thể tạo áp suất rất cao để bơm lượng khí
trở lại vỉa để duy trì áp suất vỉa. Hai loại máy nén khí thường dùng trong công nghiệp khí là máy
nén ly tâm và máy nén piston, ngoài ra một loại đặc biệt khác hay dùng là thiết bò hoà khí Ejector.
MÁY NÉN KIỂU PISTON
Loại này gồm có piston di động trong xilanh, chúng có hai kiểu: kiểu hành trình đơn và hành trình
kép. Ngoài piston và xilanh còn có các van xả, van hút, van hút sẽ mở khi áp suất trong xilanh
giảm xuống thấp hơn áp suất khí dẫn vào, van xả sẽ mở khi áp suất trong xilanh bằng hay cao hơn
áp suất xả.
MÁY NÉN KHÍ LY TÂM
Tính chất khí chẳng hạn như là tỉ số nhiệt dung riêng, tính nén hay lượng nước có trong khí không
ảnh hưởng đến việc chọn máy nén khí, tuy nhiên khí có tỉ trọng thấp thích hợp với máy nén kiểu li
tâm và có thể cần phải nén nhiều giai đoạn. Trong khi đó khối lượng phân tử, tỉ trọng hay mật độ
khí không ảnh hưởng đến loại máy nén kiểu piston.
Lưu lượng dòng khí:
Đối với dòng khí lưu lượng cao máy nén li tâm có thể được dùng cho các giai đoạn nén đầu và
máy nén piston cho các giai đoạn nén sau cho áp suất cao hơn. Đối với dòng khí có lưu lượng tương
đối thấp, máy nén piston có thể dùng trong mọi giai đoạn nén.
Khi dòng khí có lưu lượng thay đổi, máy nén khí piston có thể không bò giảm hiệu suất trong khi
máy nén li tâm không làm việc hiệu quả dưới 50 đến 90% công suất tối đa.
Tỉ số nén và áp suất vận hành
Dùng máy nén ly tâm có áp suất nén vừa phải và tỉ số nén thấp, khi tỉ số nén cao hơn và áp suất
cao hơn nên dùng máy nén khí piston.
Sự thay đổi áp suất hút và áp suất xả là rất quan trọng. Đối với loại máy nén piston nếu áp suất
khí hút vào thấp trong khi áp suất xả duy trì không đổi, công suất toàn bộ cũng bò giảm đi, sự
chênh áp của toàn bộ các giai đoạn trừ giai đoạn cuối cùng bò thấp đi, sự chênh áp và gia tăng
nhiệt độ ở giai đoạn cuối cùng lại tăng lên. Nếu áp suất hút gia tăng ở phần hút giai đoạn một, lưu
lượng toàn bộ hệ thống gia tăng trong khi sự chênh áp và nhiệt độ gia tăng trong giai đoạn cuối lại
giảm đi.
Trong máy nén ly tâm áp suất hút tăng thì áp suất xả cũng tăng, nếu áp suất hút giảm thì loại máy
nén này không nén đến áp suất xả được.
Nhiệt độ vận hành
Máy nén ly tâm nén kém hiệu quả ở nhiệt độ cao hay thấp so với máy nén piston. Loại máy nén
piston có giới hạn nhiệt độ nhờ nhớt, tuy nhiên nhiệt độ xả phải giới hạn ở nhiệt độ thích hợp để
tránh cracking dầu nhờn. Không loại máy nào khắc phục được vấn đề này do đó cần làm lạnh
trung gian giữa cac giai đoạn nén.
10.
11. Lối ra của khí gas có áp suất cao.
Prepared by
Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page
167
CẤU TẠO VÀ LÀM VIỆC CỦA MÁY NÉN KHÍ PISTON:
Hình 17.3 Cấu tạo máy nén piston
Prepared by
Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page
168Hình 17.4: Van hút máy nén khí piston
Hình 17.5: Một số hình ảnh về máy nén khí ly tâm
Copyright: Tài liệu đại học ©