BÌNH TÁCH DẦU KHÍ
PHAÀN 14 LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ
Làm khô khí bằng glycol hay ức chế tạo hydrate bằng methanol thường được dùng khi chuẩn bị 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 –50oC 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 800m2/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 Al2O3
Alumina Oxyt nhôm hoạt hoá đó là các boxit đã làm sạch.
Gel: là các hợp chất cấu tạo từ SiO2, 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 oC Alumina -73
Silica gel -60
Molecular sieves -100
Molecular sieves còn có thể hấp phụ cả các hỗn hợp chứa sulfua song nó khá đắt và năng lượng nhiệt để giải hấp cũng cao.
Bảng đặc tính của các chất hấp phụ tiêu biểu
Heọ thoỏng coõng ngheọ tieõu bieồu:
Hình 14.1: Sơ đồ công nghệ minh hoạ cho cụm làm khô khí bằng chất hấp phụ Với hệ thống đơn giản nhất gồm hai tháp thì một tháp hấp phụ nước còn một tháp giải hấp bằng khí gas nhiệt độ cao, tháp hấp phụ sẽ làm việc cho đến khi bão hào nước, thường thì vào khoảng 8~24 giờ. Hệ thống làm khô khí bằng chất hấp phụ thường phải chi phí nhiều hơn khi mua cũng như khi vận hành hơn hệ thống làm khô khí bằng glycol, tuy nhiên nó lại hữu hiệu hơn khi đòi hỏi dewpoint thật thấp, khi sử lý H2S
Chất hấp phụ được tái sinh bằng cách thổi gas (hay khí trơ) vào tháp giải hấp với nhiệt độ lên đến 230~320 đối với molecule sieve, đối với zeolite thì nhiệt độ lên đến 316~370oC
DIỄN BIẾN TRONG THÁP HẤP PHỤ:
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 bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ.
Khả năng hấp phụ nước tĩnh: là khả năng hấp phụ nước của chất hấp phụ mới ở trạng thái tĩnh ( no fluid flow) (hình 14.3)
Hình:14.3: Đồ thị tra khả năng hấp phụ nước tĩnh 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 tĩnh)
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)
Hỡnh 14.4: Khả năng hấp phu ùhữu ớch sụt giảm theo thời gian của Silica gel Khả năng hữu ích của chất hấp phụ có thể ước lượng như sau:
(x)(hB)= (xs)(hB)-0,45(xs)(hZ) x: Khả năng hữu ích tối đa của chất hấp phụ (wt%)
xs: Khả năng hấp phụ nước động trong trạng thái bão hoà (wt%) = 50~70%(Khả năng hấp phụ nước tónh)
hZ: chiều dài MTZ hB: chiều dài cột hấp phụ
Khả năng hữu ích (x) của một vài chất hấp phụ có thể lấy như sau:
x (wt%)
Nhôm hoạt tính 5~12
Silica gel 5~8
Molecular sieve (4A) 7~14
Đối với silica gel và nhôm hoạt tính thì xs còn phụ thuộc vào nhiệt độ, đồ thị 14.5. Xác định hệ số nhaõn hieọu chổnh cho xs
Hình14.5: đồ thị tra hệ số nhân hiệu chỉnh vì nhiệt độ cho khả năng hấp phụ nước động xs của silicagel và nhôm hoạt tính
Đối với molecular sieve khi nhiệt độ bé hơn 70oC thì không cần phải hiệu chỉnh xs
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:
hZ= (C)0,115[qstd0,2389W0,7895RH0,5249/d0,4778][P/(Tz)]0,5506
qstd lưu lượng khí 106std m3/d
W lượng nước bão hoà trong khí ở P,T kg RH độ ẩm tương đối của khí % D đường kính tháp hấp phụ m
P áp suất khí kpa
T nhiệt độ khí oK
Z: heọ soỏ neựn khớ
C hệ số tuỳ từng chất : silica gel C=1; nhôm hoạt tính C=0,8; molecular sieve C=0,6 THIẾT KẾ THÁP HẤP THỤ
Với hệ thống giản đơn chỉ gồm hai tháp chỉ nên áp dụng cho lưu lượng khí nhỏ dưới 1,5 triệu m3 khí ngày, khi lưu lượng khí lớn thì có thể dùng hệ thống 3~4 tháp. Thời gian tái sinh tr và thời gian hấp thụ liên hệ như sau: tr = ta/(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 = Bàvg+Cρgvg2
∆P/L áp suất sụt giảm theo chiều dài (kpa/m) [thường vào khoảng 7~10 kpa/m]
∆P không nên vượt quá 70kpa.
à độ nhớt khớ (cp) vg vận tốc khí bề mặt (m/s) ρg khối lượng riêng khí (kg/m3)
B và C tuỳ theo hình dáng kích cỡ hạt hấp thụ như sau
vg ước lượng như sau vg = A/ρg0,5
A = 67 (hạt cầu 1/8”) A = 48 (hạt cầu 1/16”)
Đường kính tháp: d= (4qa/π/vg)0,5
qa lưu lượng thực tế ở áp suất và nhiệt độ làm việc (m3/minus) qa = (qs/1440)(Ps/P)(T/Ts)z (m3/minus) khi đường kính tháp đã có thì chiều cao cột hấp thụ tính như sau:
h = 400m /(πxρ d2)
mw khối lượng nước bị hấp thụ trong một chu kì (kg) x khả năng hấp phụ hữu ích (%) ρB 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 định 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 hB/d khoảng 2,5~6
Ví dụ: Tính toán sơ bộ cho hệ thống làm khô khí bằng molecular sieve cỡ hạt 1/8” biết lưu lượng khớ qs= 1x106 std m3/d, T=30oC, P= 6000kpa, z=0.86, γ=0.65, à=0.014cp, W=720kg/106 std m3, giả sử dùng hai tháp song song và 12 giờ cho chu kỳ hấp phụ.
Hình14.7: Sơ đồ công nghệ minh hoạ cho cụm làm khô khí bằng chất hấp phụ Giải:
ρg = P.Mw/(zRT) = 6000x0,65x28,97/(0,86x8,314x303) = 52,1 kg/m3 A = 67 (hạt cầu 1/8”)
vg = A/ρg0,5 = 67/(52,1)0,5 = 9,3 m/min
qa = (qs/1440)(Ps/P)(T/Ts)z (m3/minus) = (1000000/1440)(101,3/6000)(303/288)0,86 = 10,6 m3/min Đường kính tháp: d= (4qa/π/vg)0,5 = (4x10,6/3,14/9,3)0,5 = 1,2 m
Lượng nước bị hấp phụ trong một chu kỳ là:
mw = (1x106 std m3/day)(12h/24h)(720kg/106std m3) = 360 kg H2O/chu kyứ chiều cao cột hấp thụ tính như sau:
giả sử x=10%
hB = 400mw/(πxρBd2) = 400x360/(3,14x10x705x1,2x1,2) = 4,5 m tổ soỏ hB/d = 4,5/1,2 = 3,8 OK!
Kieồm tra
độ sụt giảm áp suất theo chiều dài như sau:
∆P/L = Bàvg+Cρgvg2 = (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:
hZ= (C)0,115[qstd0,2389W0,7895RH0,5249/d0,4778][P/(Tz)]0,5506
=0,6x0,115[10,23897200,78951000,5249/1,20,4778][6000/(303x0,86)]0,5506 = 970 mm giả sử Khả năng hấp phụ nước động xs khoảng 63% của(Khả năng hấp phụ nước tĩnh) Khả năng hấp phụ nước tĩnh tra đồ thị = 22 % do đó xs = 0,63x22 = 14%
Thay vào (x)=[ (xs)(hB)-0,45(xs)(hZ)]/ hB
= [14x4,5-0,45x14x0,97]/4,5 = 12,6 wt% tương đương x giả sử 10 wt% vậy kích thước tháp đạt yêu cầu làm việc.
PHAÀN 16