chế biến khí bằng phương pháp hấp thụ DEG

Mc Lc

M u
Phn I : Tng quan
Chơng I: Lý thuyết cơ bản
I.1 Khái niệm chung về sấy khí
I.1.1 Mục đích của việc sấy khí
I.2 Nguyên tắc chung của phơng pháp sấy khô khí
I.3 Các phơng pháp sấy khô khí
I.3.1 Sấy khô khí bằng phơng pháp hấp phụ
I.3.2 Sấy khô khí bằng phơng pháp hấp thụ
I.4. Phân tích và lựa chọn công
I.4.1 Lựa chọn phơng pháp
I.4.2 Lựa chọn công nghệ
CHƯƠNG II : Hấp thụ - Sấy khô khí bằng dung môi DEG
II.1 Một số tính chất hoá lý của dung môi DEG
II.2 Cơ sở hóa lý của quá trình
II.2.1 Độ hoà tan của khí trong lỏng
II.2.2 nh hởng của hàm ẩm
II.2.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ điểm sơng của hỗn hợp khí vào nhiệt độ tiếp
xúc với dung dịch DEG
II.2.4 Sự phụ thuộc áp suất hơi bão hoà của dung dịch DEG vào nhiệt độ
II.2.5 ảnh hởng của lợng dung môi đến quá trình hấp thụ
II.3 Công nghệ sấy khí bằng chất hấp thụ DEG
II.3.1 Sơ đồ nguyên tắc nguyên tắc công nghệ sấy khô khí bằng DEG
II.3.2 Sơ đồ nguyên tắc nguyên tắc công nghệ sấy khô khí với sự tái sinh
chân không DEG
II.3.3 Sơ đồ nguyên tắc nguyên tắc công nghệ sấy khô khí bằng DEG với sự
bổ sung DEG
Phn II: Tính toán thit k

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 nh nhà máy xử
lý khí Dinh Cố, nhà máy xử lý khí đầu tiên của nớc 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 a v o ho t ng nhằm sử dụng
có hiệu quả nguồn nguyên liệu khí tự nhiên, khí đồng hành của đất nớc.
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 nớc 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 nh vậy vì những
nguyên nhân sau:
ở nhiều nớc trên Thế Giới đặc biệt là Liên Xô, và một số nớc khác tìm thấy
nhiều mỏ khí thiên nhiên, khí dầu mỏ có trữ lợng lớn nên đó là nguồn nguyên liệu
rẻ tiền giá thành hạ. Sản phẩm thu đợc từ quá trình chế biến khí tự nhiên và dầu mỏ
có chất lợng cao nhờ chế độ kỹ thuật ở đây khống chế khá chặt chẽ.
Quá trình chế biến khí tự nhiên, khí dầu mỏ đợc 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 nớc là quá trình quan trọng để tách khí, thu đợc khí khô
trớc khi đợc chế biến sâu hơn, sấy khí là quá trình đợc sử dụng đầu tiên trong dây
chuyền công nghệ chế biến khí.

Phần I : Tổng quan
Chơng I : Phần lý thuyết cơ bản.
Khí t nhiên và khí đồng hành c khai thác trong lũng t,l h n hp của
hydrocacbon ca dãy metan gm có: CH
4
, C
2
H
6
, C
3
H
8
, C
4
H
10
, ngo i ra trong
th nh ph n ca khí cũng có: He, N
2
, CO
2
, H
2
, s lng v h m l ng thay i
trong mt khong rng
Trong khí tự nhiên th nh ph n ch yu l metan (chi m n 98% theo th
tớch). Các m khí t nhiên l các túi khí n m sâu trong lũng t
Khí ng h nh: nh n c t các m du cùng vi quá trình khai thác du

m. Trong th nh ph n ca khí ng h nh ngo i c u t chính l metan cũng có
etan, propan, butan v cỏc hydrocacbon n ng vi h m l ng ỏng k. Th nh ph n

nhng cu t c bn ca khí thay i trong mt phm vi khá rng tùy theo m du
khai thác.
I.Một số khái niệm
I.1. Khái niệm chung về sấy khí.
Khí đồng hành và khí tự nhiên khai thác từ lòng đất thờng bão hoà hơi nớc, hàm
lợng hơi nớc phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, thành phần hoá học của khí. Mỗi một
giá trị nhiệt độ, áp suất sẽ tơng ứng với hàm lợng hơi nớc cực đại có thể có nhất
định. Hàm lợng ẩm tơng ứng với hơi nớc bão hoà tối đa gọi là cân bằng. ngời ta
phân chia độ ẩm của không khí thành độ ẩm tơng đối và tuyệt đối. Độ ẩm tuyệt đối
của không khí là khối lợng hơi nớc có trong một đơn vị thể tích hoặc đơn vị khối l-
ợng khí (đo bằng g/m
3
hoặc g/Kg khí). Độ ẩm tơng đối là tỷ lệ giữa khối lợng hơi
nớc có trong hỗn hợp khí và lợng hơi nớc cực đai có thể có trong thể tích khí đã
cho dới các điều kiện bão hoà (đo bằng phần trăm hay phần đơn vị). Nếu giảm
nhiệt độ của khí có chứa hàm lợng ẩm bão hoà cực đại, giữ ở áp suất không đổi thì
một phần hơi nớc sẽ ngng tụ đợc gọi là điểm sơng của khí tại một áp suất nhất định.
Nhằm xác định hàm lợng ẩm cân bằng của khí thiên nhiên ngời ta sử dụng:
- Quan hệ giữa áp suất riêng phần và thành phần lỏng hơi.
- Sử dụng các đờng cong thực nghiệm phụ thuộc của hàm ẩm vào nhiệt độ và
áp suất.
- Hiệu chỉnh các đờng cong trên khi có mặt của H
2
S, CO
2
, N
2

.
- Sử dụng phơng trình trạng thái P - V - T.
Thông thờng ngời ta sử dụng các đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc hàm lợng 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 nớc thì hàm lợng ẩm suy ra từ đồ thị
này cần phải nhân tơng ứng với hệ số C
1
(hoặc C
2
). Khi tỷ trọng khí và hàm lợng
muối tăng thì lợng ẩm trong khí sẽ giảm (ở những điều kiện gần giống nhau). Một
số yếu tố khác cũng ảnh hởng đến hàm lợng ẩm cân bằng trong khí nh sự có mặt
của propan, các hydro-cacbon nặng: H
2
S, CO
2
, N
2
, sự hiện diện của H
2
S và CO
2
làm
tăng hàm lợng ẩm, còn N
2
lại làm giảm. Vì vậy nếu trong khi có một lợng lớn các
khí hydro-cacbon nặng: CO
2
, H
2

S thì lợng ẩm tính theo đồ thị có thể khác xa so với
thực tế. Khi lợng H
2
S trong khí thấp hơn 20% thì giá trị hàm lợng ẩm cân bằng có
thể xác định theo Sherm và Kempbel (sai số cực đại không quá 6%).

Hàm lợng hơi nớc trong khí đồng hành và khí thiên nhiên cần phải biết vì hơi n-
ớc có thể bị ngng 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 thờng
đối với các dây chuyền khai thác, vận chuyển, chế biến khí. Ngoài ra sự có mặt của
hơi nớc và các hợp chất chứa lu huỳnh (H
2
S 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 lợng của muối
vô cơ trong nớc, hàm lợng 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, H
2
S và CO
2

sẽ thấp hơn so với khi vắng mặt những chất này.
Nh vậy với nhũng tác hại của hàm lợng hơi nớc trong khí nói ở trên thì để giải
quyết những vấn đề có hại nh vậy ngời ta đa phơng pháp sấy khô khí nhằm tách hơi
nớc trong khí để ngăn ngừa sự hình thành các hydrat, sử dụng rộng rãi phơng pháp
ức chế - là phơng pháp đa vào dòng khí các chất khác nhau (gọi là chất ức chế) làm
hạ nhiệt độ tạo thành hyđrat nh metanol, glycol phơng pháp sấy khô (tách nớc)

khí dựa trên cơ sở tách nớc ra khỏi khí bằng các chất hấp thụ lỏng hoặc rắn. Trong
hai phơng pháp trên thì sử dụng phơng pháp sấy khô vì nó dễ tiến hành, dễ thao tác,
thiết bị đơn giản (IV - 89).
I.1.1 Mc ích ca vic sy khí
Khí đồng hành và khí thiên nhiên khai thác từ lòng đất thờng bão hoà hơi nớc và
hàm lợng hơi nớc phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và thành phần hoá học của khí.
Mỗi một giá trị nhiệt độ, áp suất sẽ tơng ứng với một hàm lợng hơi nớc cực đại có
thể có nhất định. Hàm lợng ẩm tơng ứng với hơi nớc bão hoà tối đa đợc gọi là hàm
lợng ẩm cân bằng.
Hàm lợng hơi nớc trong khí đồng hành và khí thiên nhiên cần phải biết vì hơi n-
ớc có thể bị ngng tụ trong các hệ thống công nghệ xử lí khí sau này, kết quả sẽ tạo
các điều kiện hình thành các hiđrat (các tinh thể rắn) dễ đóng cục chiếm các
khoảng không trong các ống dẫn hay các thiết bị, phá vỡ điều kiện làm việc bình
thờng đối với các dây chuyền khai thác, vận chuyển và chế biến khí. Ngoài ra, sự
có mặt của hơi nớc và các hợp chất chứa lu huỳnh (H
2
S và các chất khác) sẽ là tiền
đề thúc đẩy sự ăn mòn kim loại, làm giảm tuổi thọ và thời gian sử dụng của cácthiết
bị công trình
I.2. Nguyên tắc của phơng pháp sấy khô khí.

Khí đợc sấy khô nhằm mục đích tách hơi nớc và tạo cho khí có nhiệt độ điểm s-
ơng theo nớc thấp hơn so với nhiệt độ cực tiểu mà tại đó khí đợc vận chuyển hay
chế biến.
Nguyên tắc chung là ngời ta dùng các dung môi lỏng hoặc rắn để hấp thụ hơi n-
ớc, 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. Các phơng pháp sấy khô khí :
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. Sấy khô khí bằng phơng pháp hấp phụ.
Khi cần phải sấy khí đến độ hạ điểm sơng tới 100
0
C ữ 120
0
C và yêu cầu khí sau
khi sấy có điểm sơng rất thấp - 60
0
C ữ - 90
0
C, ngời ta sử dụng phơng pháp hấpphụ.
Trong công nghiệp chế biến khí ngời ta thờng 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 m
2
/g. Điểm sơng 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 sơng có thể đạt đợc với các chất hấp phụ thờng
dùng nh sau :

Sơ đồ công nghệ sấy khí bằng phơng pháp này đơn giản nhất bao gồm hai tháp. Nh-

Chất hấp thụ Điểm sơng của khí sau khi sấy
Silicagel

-60
0
C (-76
0
F)
Oxit nhôm hoạt tính -73
0
C (-100
0
F)
Zeolit (rây phân tử) -90
0
C (-130
0
F)
ng trong thực tế công nghiệp ngời 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 trờng 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 ữ 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 phơng pháp hấp thụ.
I.3.2.1 Khái niệm hấp thụ
Hấp thụ là quá trình xảy ra khi một cấu tử của pha khí khuếch tán vào pha
lỏng do sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng.
- Khí đợc hấp thụ gọi là chất bị hấp thụ, chất lỏng dùng hút gọi là dung
môi (chất hấp thụ) , khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ.

- Mục đích: Hòa tan một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên một
dung dịch các cấu tử trong chất lỏng . Các quá trình xảy ra do sự tiếp xúc pha
giữa khí va f lỏng. Quá trình này cần sự truyển vật chất từ pha khí vào pha
lỏng. Nếu quá trình xảy ra ngợc lại, nghĩa là cần sự truyền vật chất từ pha
lỏng vào pha hơi, ta có quá trình nhả khí, nguyên lý của cả hai quá trình là
giống nhau.
_ Trong công nghiệp hóa chất , thực phẩm quá trình hấp thụ dùng để:
1, Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí
2, Làm sạch pha khí
3, Tách hỗn hợp tạo thành các cấu tử riêng biệt.
4, Tạo thành một dung dịch sản phẩm.
I.3.2.2 Các phơng pháp hấp thụ
Hấp thụ bao gồm quá trình: Hấp thụ vật lý và hấp thụ hóa học.
1. Hấp thụ vật lý: Dựa trên cơ sở hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng.
2. Hấp thụ hóa học : Giữa hỗn hợp khí và dung môi có xảy ra phản ứng hóa
học.
Sấy khí bằng phơng pháp hấp thụ đợc sử dụng rộng rãi để sấy khô khí tại
các công trình ống dẫn khí cũng nh 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 nớc trong khí và trong chất hấp thụ. Giá trị điểm s-
ơng của khí, về nguyên tắc đợc đảm bảo bằng dung dịch của các glycol. Sẽ
thấy trong hình 1, hình 2 ,hình 3 dới đây.
Trong các thiết bị công nghiệp, sự sấy khô khí đến điểm sơng cân bằng là
không thể thực hiện đợc vì khí chỉ tiếp xúc với glycol có nồng độ tính toán ở
mâm trên cùng, còn các mâm ở dới nồng độ sẽ giảm đI do sự hấp thụ của n-
ớc. Do đó trong các thiết bị công nghiệp điểm sơng thực tế sẽ lấy cao hơn từ
5-11C so với điểm sơng cân bằng. Thông thờng sự sấy khí của glucon đợc

thực hiện đến điểm sơng không thấp hơn -25 đến -30C. Muốn sấy triệt để

hơn thì cần dùng dung dịch glucol đậm đặc hơn. Khi đó sẽ phát sinh thêm
khó khăn ( sẽ gia tăng sự tiêu hao glucol cùng với khí khô). Để thu nhập
glycol với nồng độ cao ở các thiết bị sấy khô, quá trình tái sinh chất hấp thụ
cần phải tiến hành có sự xúc tác của các khí trơ


Hình 1. Sự phụ thuộc nhiệt độ điểm sơng của hỗn hợp khí
vào nhiệt độ tiếp xúc với các dung dịch DEG (1 - 119)

29 10 0 10 30 50
Nhiệt độ tiếp xúc,
0
C
Nhiệt độ điểm s ơng, 0 C
60
40
20
0
20
40
60
0
50
60
70
80
90
95
98
99

99,5
99,7
99,85
99,96





H×nh 2: Điểm sương c©n bằng của khÝ trong dung dịch TEG với nồng độ
kh¸c nhau các chữ số trong đồ thị tương ứ ng với h m là ượng TEG (% khối
lượng) trong dung dịch.
Lượng ẩm cã thể t¸ch ra từ khÝ bằng c¸c chất hấp thụ - sấy khÝ được x¸c
định bằng khả năng hót ẩm của chất hấp thụ, nhiệt độ v ¸p suà ất, sự tiếp xóc giữa
khÝ với chất hấp thụ, khối lượng chất tuần ho n trong hà ệ v à độ nhớt của nã.
I.4. C«ng nghÖ sÊy kh« khÝ b»ng ph¬ng ph¸p hÊp thô
Trªn h×nh V.8 tr×nh bµy sơ đồ nguyªn lý c«ng nghệ sấy kh« khÝ bằng glycol.

Quá trình sấy khí bằng các chất hấp thụ lỏng đợc thợc hiện nh sau:
Trong tháp hấp thụ hình trụ 2, dòng khí đI từ dới lên còn chất lỏng đợc tới từ trên
xuống, hơI nớc bị dung dịch glycol hấp thụ, quá trình đợc tiến hành ở nhiệ độ
khoảng 20 độ C, áp suet 2-6 MPa. Khí đã đợc sấy khô đi ra ở đỉn thá, còn dung
dịch glucol đã hấp thụ nớc đợc lấy ra ở phía dới,. Glycol đã hấp thụ nớc đI qua thiết
bị trao đỏi nhieuerjj 4 đợc đun nóng sơ bộ đI vào giữa tháp nhả hấp thụ 3. HơI nớc
giảI phóng đI lên phía trên tháp và đợc ngng tụ ở thiết bị làm lạnh 6, một phần hơI
nớc ngng tụ đợc quay trở lại tới ở đĩa trên cùng của tháp nhả hấp thụ. Dung dịch
glycol sau khi táI sinh có chứa 1 đến 5 % nớc, đợc làm nguội nhờ thiết bị làm lạnh
6 và quay trở lại tháp hấp thụ 2, Quá trình nhả hấp thụ đợc thực hiện ở nhiệt độ cao,
nhng không đợc cao hơn 170 độ C đối với dietylen glycol và 191 độ C đói với
trietylen glycol. bởi vì cao hơn nhiệt độ đó các glycol bị phân hủy

Khi cần sấy một lợng khí tơng đối lớn thì phơng pháp hấp thụ dùng dietylen
glycol (DEG) và trietylen glycol TEG là kinh tế nhất cả về vốn đầu t và tiêu tốn
năng lợng.
Chơng 2 : Cơ sở hóa lý và hóa học
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 nh vậy theo định luật pha ( = 2, k = 2, C = 2+2-2 = 2 ) đợc coi
nh hỗn hợp lỏng có hai thành phần. Cân bằng pha đợc 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 đợc biểu diễn bằng định luật Henry:

y
cb
= m.x ;
Đối với khí lý tởng thì :
m : hằng số dùng để biểu diễn quan hệ y
cb
= f(x) là đờng thẳng.
Đối với khí thực thì :
m : phụ thuộc vào x, nên đờng cân bằng là đờng cong.
Hằng số cân bằng đợc tính m = /p
Với P : áp suất ( at ).
: hệ số Henry, đợc tra theo bảng, có thứ nguyên là áp suất.
II.2.2. ảnh hởng của hàm ẩm.
Hàm ẩm là lợng hơi nớc có trong khí cần sấy khô, và hàm lợng 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 đợc hàm ẩm tối đa của hỗn hợp
khí. Hàm ẩm tơng ứng với trạng thái khí bão hoà hơi nớc đợc gọi là hàm ẩm cân
bằng hay còn gọi là độ ẩm cân bằng.
Để biểu diễn hàm lợng hơi nớc có trong hỗn hợp khí ngời ta sử dụng hai khái

niệm: độ ẩm tơng đối và độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tuyệt đối là lợng hơi nớc có
trong một đơn vị thể tích hoặc một đơn vị khối lợng khí đợc biểu diễn bằng g/m
3

hoặc là g/Kg khí.
Độ ẩm tơng đối là tỷ lệ giữa khối lợng hơi nớc có trong khí và khối lợng hơi
nớc tối đa có thể có trong khí ở điều kiện bão hoà. Nếu giảm nhiệt độ khí bão
hoà hơi nớc còn ở áp suất không đổi, thì một phần hơi nớc bị ngng tụ. Nhiệt độ
tại đó hơi nớc có trong khí bắt đầu ngng tụ đợc gọi là điểm sơng của khí tại áp
suất đã cho (I-77).
II.2.3. ảnh hởng của lợng dung môi đến quá trình hấp thụ.
Để xem xét vai trò của dung môi trong hấp thụ, ngời ta dự vào phơng trình
chuyển khối chung và phơng trình đờng nồng độ làm việc.
Theo phơng trình chuyển khối, lợng hấp thụ đợc tính:
G=K
y
ìFìY
tb
.
Trong đó:
K
y
: Hệ số chuyển khối.
F : Bề mặt tiếp xúc pha.
Y
tb
: Động lực trung bình.
G : Lợng khí bị hấp thụ.

4

3
2
1
a
a
aa
a
đ
y
b
c
y
đ
x
x
Quan hệ X Y
Dựa vào đồ thị quan hệ X - Y ta thấy, khi Y
đ
, Y
C
và X
đ
cố định, thì nồng độ cuối
của dung môi đợc quyết định theo động lực trung bình Y
tb
, tức là điểm cuối của
đờng làm việc AB. Điểm cuối của đờng làm việc chỉ đợc chuyển dịch từ A A
4
.
Đờng làm việc BA

4
cắt đờng cân bằng, lúc này động lực trung bình Y
tb
nhỏ nhất.
Đờng BA gần song song với trục tung, nên động lực trung bình là lớn nhất. Vì F ì
Y
tb
không đổi nên ứng với đờng BA
4
cho ra F lớn nhất và ứng với đờng AB có F
bé nhất. Tơng tự, tại A
4
có X
C
lớn nhất và tại A có X
C
bé nhất.
Nếu chọn lợng dung môi ít nhất ta thu đợc X
C
lớn, nhng thiết bị phải rất lớn
(vô cùng cao). Trái lại, nếu chọn lợng dung môi lớn thì thiết bị bé. Những dung
dịch thu đợc quá loãng thì X
C
bé, do đó khi chọn điều kiện làm việc ta phải dựa
vào chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật
Chơng 3: Một số công nghệ sấy khí bằng phơng pháp hấp thụ
III.1. Một số chất hấp thụ đợc sử dụng
III.1.1 Yêu cầu, u, nhợc điểm của các dung môi hấp thụ

1.Yêu cầu:

Các chất hấp thụ dùng để sấy khí phải đáp ứng những yêu cầu sau (I - 116):
- Có khả năng hấp thụ hơi nớc 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 nớc để dễ dàng tách nớc (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 nớc 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 ngời làm việc, không gây ô nhiễm môi trờng.
- Giá thành rẻ.
Những chất hấp thụ thoã mãn yêu cầu trên đợc sử dụng phổ biến là glyxerin,
các glycol nh etylenglycol (EG), dietylenglycol (DEG), propylenglycol (PG),
trietylenglycol (TEG) Glyxerin đã đ ợc sử dụng từ năm 1929. Etylenglycol đợc sử
dụng trong công nghiệp đầu tiên vào năm 1936. Dới đây là một số u, nhợc điểm
của từng loại chất hấp thụ - sấy khô (IV - 97):
2. Ưu, nhợc điểm của các dung môi
Chất hấp thụ u điểm Nhợc điểm
Dietylenglycol (DEG) - Độ hút ẩm cao, khá bền khi
có mặt các hợp chất lu huỳnh,
oxi và cacbonic ở nhiệt độ th-
ờng dung dịch đậm đặc
không bị đông đặc.
- Tiêu hao do thất thoát
cao hơn so với
trietylenglycol. Khi tái

sinh khó thu đợc dung
dịch có nồng độ DEG >
95%. Điểm sơng thấp
hơn so với khi sử dụng
trietylenglycol. Giá

thành cao
Trietylenglycol (TEG) - Độ hút ẩm cao. Tạo đợc
điểm sơng cho khí sấy cao
(27,8
0
C ữ 47.3
0
C). Độ bền
cao khi có mặt các chất lu
huỳnh, oxi, cacbonic ở nhiệt
độ bình thờng. Khi tái sinh dễ
dàng thu đợc 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 t
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% ữ 30%; DEG 60%
ữ 80%; Nớc 5% ữ
10%.
- Chất hấp thụ này có thể tách
nớc, lu 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 sơng 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 (- 60
0
C).
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 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.
III.2. Thuyết minh và các sơ đồ công nghệ sấy khí bằng DEG
III.2.1. Một số tính chất hoá lý của dung môi Dietylenglycol.
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, EG Glyxerin.

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.

Một số tính chất hoá lý của dung môI DEG (I-117, VIII-336):
Khối lợng phân tử: 106,12
Tỷ trọng tơng đối:

20
20
1,118
Nhiệt độ sôi ở 760mmHg: 224,8
0
C
Nhiệt độ nóng chảy: - 8
0
C
Nhiệt độ bắt đầu phân huỷ: 164
0
C
Nhiệt độ tái sinh: 164
0
C
Độ nhớt ở 20
0
C: 35,7 cP
Nhiệt dung riêng: 2,09 Kj/Kg
0
c
áp suất hơi, at, 25
0
C: 0,01
Chỉ số khúc xạ, 25
0

C: 1,446
Chỉ số axit, mg của KOH/g: < 0,05
Sự tuyển ớt (tuyển khoáng), wt%: < 0,02
Tỷ nhiệt, 25
0
C: 0,05
Điểm cháy,
0
C: 138
Nhiệt độ bốc cháy,
0
C: 143
Điểm sôi, 760mmHg,
0
C: 244,8
Điểm sôi, 760mmHg,
0
F: 472.6
Tỷ trọng ở 25
0
C, g/cm
3
: 1,113
Tỷ trọng ở 60
0
C, g/cm
3
: 1,088
Nhiệt độ hạ điểm chảy,
0

C: - 54
Độ nhớt, cP, ở 25
0
C: 28,2
Độ nhớt, cP, ở 60
0
C: 6,99
Chng cách lỏng: 0,3
Màng hơi ngng tụ: 0,17
Tinh chế, % 99,60
Sức căng bề mặt, N/m
2
(20
0
C): 4.85
Độ nhớt ở 20
0
C : 36,0
áp suất hơi ở 20
0
C, Pa: 2,7
Giới hạn nổ thấp: 0,7
Nhiệt độ điểm cháy của hydro-cacbon 9,29
Cao nhất ở 25
0
C:


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
0
C) 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
-10
0
C, nhiệt độ dới -10
0
C có độ nhớt rất cao, khó tách khỏi pha lỏng nếu có dầu
trong đó. Còn khi nhiệt độ vào khoảng -8
0
C ữ - 7
0
C 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
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).
Dới đây đa ra giới hạn nồng độ cho phép của dung dịch DEG (% khối lợng) cần
phải duy trì trong hệ ở các nhiệt độ khác nhau (IV-96):
Nhiệt độ DEG
-22,3

0
C
48 ữ 91
-28,9
0
C
51 ữ 88
-34,4
0
C
56 ữ 85
-45,6
0
C
51 ữ 88
Trong thực tế ngời ta sử dụng rộng rãi nồng độ DEG là 60% ữ 80% khối lợng.
II.2.2. Cơ sở hoá lý của quá trình.

Dietylenglycol ( DEG ) là một loại rợu đa chức có công thức phân tử là C
4
H
10
O
3

( CH
2
OH-CH
2
O-CH

2
-CH
2
OH ) 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
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.2.3. Sự phụ thuộc nhiệt độ điểm sơng của hỗn hợp khí vào nhiệt độ tiếp xúc
với dung dịch DEG.
Trên hình 1 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
0
C có khả năng giảm nhiệt độ điểm sơng của khí
tới -5
0
C, còn dung dịch 98% ở cùng nhiệt độ có khả năng giảm điểm sơng của khí
tới -13
0
C. Nh vậy, nồng độ dung dịch DEG càng cao, mức độ sấy khí càng cao, tức
là khí sau khi sấy có nhiệt độ điểm sơng càng thấp (I-118).

Hình 1. Sự phụ thuộc nhiệt độ điểm sơng của hỗn hợp khí
vào nhiệt độ tiếp xúc với các dung dịch DEG (1 -119)
Độ hạ điểm sơng

T cho biết mức độ sấy khí của chất hấp thụ trên hình
2 là đồ thị mô tả độ hạ điểm sơng 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 đợc độ hạ điểm sơng

T khi biết nồng độ dung dịch DEG và nhiệt
độ tiếp xúc.

29 10 0 10 30 50
Nhiệt độ tiếp xúc,
0
C
Nhiệt độ điểm s ơng, 0 C
60
40
20
0
20
40
60
0
50
60

70
80
90
95
98
99
99,5
99,7
99,85
99,96





Hình 2. Sự phụ thuộc độ hạ điểm sơng của khí vào nhiệt độ tiếp xúc với dung
dịch DEG có nồng độ khác nhau (1-119)

Độ hạ điểm sơng T với dung dịch DEG có nồng độ 98%, nhiệt độ tiếp xúc là
27
0
C, có khả năng hạ điểm sơng của hỗn hợp khí xuống T = 16
0
C, nghĩa là nếu
hỗn hợp khí ẩm ban đầu có nhiệt độ điểm sơng là 6
0
C thì sau khi sấy sẽ có điểm s-
ơng là - 10
0
C. Độ hạ điểm sơng còn phụ thuộc vào lu lợng tới 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 3 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 182
0
C, ở áp suất 300mmHg nhiệt độ sôi của dung dịch đó là 146
0
C. Nhiệt
độ bắt đầu phân huỷ của DEG là 164
0
C. 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

40
30
20
10
99,5
99
98
95
Độ hạ điểm s ơng T, 0 C
10 20
30 40
50
Nhiệt độ tiếp xúc,
0
C

chân không). Trong khi đó TEG bắt đầu phân huỷ ở nhiệt độ là 206
0
C, vì vậy tái
sinh TEG ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tái sinh đối với DEG và không cần chân
không (I-120)
Hình 3. Đồ thị phụ thuộc ấp suất hơi bão hoà của dung dịch
DEG vào nhiệt độ (1-120)
III.3. Công nghệ sấy khí bằng chất hấp thụ DEG.
Các thiết bị công nghiệp, sự sấy khô khí đén điểm sơng cân bằng là không thể
thực hiện đợc vì khí chỉ tiếp xúc với DEG có nồng độ tính toán tại mâm trên cùng,
còn ở mâm dới nồng độ của DEG sẽ giảm đi do sự hấp thụ hơi nớc. Do đó trong
các thiết bị công nghiệp điểm sơng của khí sấy sẽ cao hơn từ 5
0
C ữ 11
0
C so với
điểm sơng cân bằng. Thông thờng sự sấy khí bằng DEG đợc thực hiện đến điểm s-
ơng không thấp hơn -25
0
C ữ -30
0
C. 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

75
áp suất hơi bão hoà của DEG, mmHg
Nhiệt độ,
0

C
-20 -10 0 20 40 60 80 110 150 210
1000
600
200
100
60
20
10
6
2
1
0.6
0,2
0.1
100
99
95
98
85
90
II.3.1. s¬ ®å nguyªn t¾c c«ng nghÖ sÊy kh« khÝ b»ng DEG (I - 121).
S¬ ®å nguyªn lý c«ng nghÖ sÊy khÝ b»ng DEG h×nh 4:

7
3
5
I
III
4

IV
V
6
2
I
1
II
C¸c thiÕt bÞ trong s¬ ®å nguyªn t¾c c«ng nghÖ sÊy khÝ b»ng 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 đa vào sấy I.
khí sau khi sấy II.
Dung dịch DEG III.
Dung dịch DEG bão hoà hơi nớc IV.
Nớc đa đi tới V.
Thuyết minh sơ đồ công nghệ.
Khí đa vào sấy đang ẩm đa vào thùng chứa 1. khí ẩm đợc đa vào phần dới của
tháp hấp thụ 2 và dòng khí đi từ dới lên, còn dung dịch DEG đậm đặc thì đa vào
mâm trên của thiết bị này, đợc tới từ trên xuống, hơi nớc bị dung dịch DEG hấp thụ,
quá trình này đợc tiến hành trong khoảng nhiệt độ là 20
0
C, áp suất 2 ữ 6 MPa. Khí
đã đợc sấy khô II sẽ đi ra từ phía trên đỉnh của tháp hấp thụ, còn dung dịch DEG đã
hấp thụ nớc đợc lấy ra từ phía dới. Khí sấy khô sau đó đợc đa đi sử dụng. DEG đã

hấp thụ nớc qua thiết bị trao đổi nhiệt 4 đợc đun nóng sơ bộ đi vào giữa tháp nhả
hấp thụ 3. Hơi nớc giải phóng đi lên phía trên tháp và đợc ngng tụ ở thiết bị làm
lạnh 6. Một phần hơi nớc ngng tụ đợc quay trở lại tới ở đĩa trên cùng của tháp nhả
hấp thụ. Phần dới của tháp nhả hấp thụ đợc đốt nóng. Dung dịch DEG sau khi tái
sinh chứa từ 1% ữ 5% nớc, đợc làm nguội nhờ thiết bị làm lạnh 6 và quay trở lại
tháp hấp thụ 2.
Quá trình nhả hấp thụ đợc thực hiện ở nhiệt độ cao nhng không đợc cao hơn
170
0
C vì nhiệt độ phân huỷ của DEG là 164
0
C. 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.
Hình 8 trình bày nguyên tắc công nghệ hấp thụ - sấy khô khí với sự tái sinh chân
không DEG.

9
10
14
11
8
7
5
4
IV
VII
VI
VIII

IV
12
13
V
6
I
III
II
1
3
2
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 ngng tụ 10.
Bồn chứa chất lỏng ngng 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 nớc và khí V.