Thiết kế tháp hấp phụ làm khô khí với công suất 6 triệu m3 khí ngày đêm

Cấu tử

Mỏ Ưrengôi

Mỏ Saratov

Mỏ Lan Tây

Mỏ Lan Đỏ

CH4

97,9

94,7

88,5

93,9

1,8

4,3

2,3

0,2

2H6

Trưòng Dại

Dại học
học MỏMỏ- Dịa
Dịa chất
chất
Trưòng

Dổ án
án tốt
tốt nghiệp
nghiệp
Dổ

1. TỔNG
VỂ
0,1 phức
0,2CHƯƠNG
2,4
0,5 QUAN
+
nhiên,tạp
nhưng
lại giàu
thành
C 3nhiên
hơn
khí
thiên
Thành
hơn
như:

Nhựa,
asphalten
Chúng
bị chứa
kết
tủa
và
bị KHÍ
sa
lắng
hoặc
tạo
thiên
nhiên.
Ngoài
ra
trong
khíphần
thiên...
còn
lưunhiên.
huỳnh
và
cácphần
khí khí
trơ
đồngtrong
hànhkhối
phụchất
thuộc

vào
mỏ, đặc tính pha ở nhiệt độ và áp suất,
keo
lỏng
hữu
cơ.chất dầu 0,1
0,6bản
1.1.
NGUỚN
GỐC
HÌNH
khác
như
Ar...
và
hơiranước.
mà tại
đó He,
khí được
tách
khỏi dầu
thô. THÀNH DAU KHÍ
0,1 hợp các phản
0,6ứng địa hoá 0,1
Tập
học đã biến dần các hợp chất hữu cơ
Xác
động
thực
vật,

chủ
yếu
là
các
loạira
tảo
phù lỏng
du
sống
trong
Khí mỏ
đồng
thể chiếm
tới sinh
vài
trục
phần
trăm
trong
hỗnnước
hợp
dầu
thành dầu
và hành
khí tựcó
nhiên.
Dầu mỏ
ở dạng
và
di

chuyển
từbiển
nơi
1,4
0,2
Khí
thiên
nhiên
ởvùi
trong
mỏcác
thường
chứađáhơi
nước
bãotrải
hoà,qua
khíhàng
khai triệu
thác
đã
tích
tụ
và
bị
chôn
trong
lớp
đất
trầm
tích,

khí được
thác tại
hành
đượcnhững
coi làtầng
phânđáđoạn
này
sang khai
nơi khác,
bị giếng
tích tụkhoan.
thành Khí
các đồng
túi dầu
trong
đặc kém
khít
năm,
bị vi
khuẩn
phân
huỷ
thành
dầu
và
khíbơm
tự
Quá
trình
biến

1,5
phẩm chúng
chất
0,2càng
của
dầu
mỏ.
0,3
Khícàng
đồng
hành
1,6
thường
được
một
phần
ngược
trở
được
cũng
bão
hoà
hơi
nước,
nhưng
cũng
thể
chứa
ít nhiên.
hơi

nước
hơn.
Trong
.Thời
gian
dài
chúng
bịtạo
chôn
vùicó
sâu,
chịu
những
điều
kiện
nhiệt
độ
đổi
này
chia
làm
ba
giai
đoạn:
lại mỏ,
hoặckhắc
đượcnghiệt
thu gom
đường
để phản

xử lý ứng
ngoài
giàn hoặc
và
áp suất
hơn,bằng
tại đó
xảy ống
ra các
cracking
dầutrong
mỏ, bờ,
kết
0,3
một
trường
hợp
phải
loại bớt nước.
1,2 Nước có thể tạo thành các hydrat
hoặclàsố
là tạo
được
ngay
tại1,9
giàn.
quả
ra đốt
càng
nhiều

khí tự nhiên. Do vậy, 1TLỎ khí thường nằm sâu hơn các
mỏ dầu•và có Biến
tuổi
lớn
mỏ
dầu
hydrocacbon
có thành
phần
ở dạng rắn nếu nhiệt độ đủ thấp, các
đổihơn
sinh
họcnH^O.mCH
bởi. các vi khuẩn.

3H8

Ì-C4H10

n-C4H10
5+

2

co2
2

Cấu tử
CH4
QH6

C,H8
Ì-C4HJO

n-C4H10
c5+
co2

hydrat
hydrocacbon
này có Rồng
thể làm tắc đường Đại
ống Hùng
dẫn khí.
Bạch
Hổ
•
Biến đổi hoá học dưới các điều kiện địa hoá thích hợp.
71,59
76,54
77,25

Bảng 1.1. Thành phần khí thiên nhỉên một sô mỏ khí (% V)
•
Sự
di chuyển
và tích
dầu, hành
khí trong
12,52
6,398

9,49
Bảngl.2.
Thành
phần
khí tụđồng
(%cácV)mỏ.
của một sô mỏ ở

8,61
Trong giai đoạn đầu8,25
những Việt
phầnNam
dễ bị 3,83
phân huỷ như Albumin có trong
xác động
thực
vật,
bị
phân
huỷ
bởi
vi
khuẩn
ưa
1,75
0,78
1,43khí tạo thành các khí và thoát
ra ngoài. Những phần khó phân huỷ hơn bị chôn vùi ngày càng sâu trong lòng
2,96quá trình này chúng
0,94chịu sự phân huỷ 1,26

đất. Trong
của các vi khuẩn yếm khí.
1,84
1,49
2,33
Ở giai đoạn biến đổi hoá học tiếp theo, vật liệu hữu cơ còn lại, chủ yếu
0,72
5,02
4,5
là các chất lipit, nhựa, sáp, terpen, axit béo tham gia các phản ứng hoá học
dưới tác dụng xúc tác của các chất vô cơ trong đất đá, ở điều kiện áp suất lớn
Hình 1.4. Sơ dò cấu trúc mỏ dầu.

13. thậm
Vùng thành
dầu mỏ
và
hàng Hĩnh
trăm,
chí tạo
hàng
nghìn
atm, ở vài trăm độ bách phân. Các chất vô cơ
khí tự nhiên.

khác nhau, đặc biệt là aluminosilicat, có thể đóng vai trò xúc tác. Quá trình
biến đổi hoá học này xảy ra rất chậm. Càng xuống sâu, thời gian càng lớn, sự
biến đổi đó càng
sâu hơn
sau: dầu mỏ và khí tự nhiên

Hình
1.1.theo
Sự hướng
hình thành

I.2.I.2.
Khí
đồng
hành
•
Hợp
chất
phức
tạpKHÍ
=> Hợp chất hữu cơ đơn giản hơn .
1.2.2.
PHÂN
LOẠI
1.2.•
KHÁI
VÀtạpPHÂN
LOẠI
KHÍ
Hợp
chất NIỆM
thơm
phức
=> Họp
chất thơm
đơn giản hoặc các hợp

1.2.2.
L Phân
loại
lượng
axit
Khí đồng
hành là
khítheo
sinh hàm
ra trong
quákhí
trình
khai thác dầu mỏ ( Khí
KHÁI
NIỆM
chấtlàđơn
giản
như
cácdầu
pararìn
đồng1.2.1.
hành
khí
đi kèm
với
mỏ)..
Căn cứ vào hàm lượng khí axit ( 1LS, C07) người ta phân thành:

1.2.1.1.
Khíchất

thiên
•
Hợp
phânnhiên
tử lượng
lớn
Hợp chất
phân
tửlớn
lượng
bé.
Khí
chua:
Là
khí
có
chứa nhẹ
hàm=>
lượng
hLSnguyên
hơn
Khí
đồng
hành
là
phân
đoạn
nhất
của khí
dầu mỏ

khai,hoặc
thu bằng
được

5,7mg/m3 khí ở điều kiện tiêu chuẩn ( 15°c,latm) hoặc /và hàm lượng CO ? lớn
thiên
nhiên
là cácgiếng
khí khoan
hydrocacbon
họ paraíìn
từ C1-C4,
được khai
ngay
ử Khí
thiết
bịsong
tách
tại tích.
miệng
trong
quá
dầu
hơn hoặc
bằng
2% thể
với
quá trình
phântồn
huỷ

hợptrình
chấtkhai
hữuthác
cơ riêng
có mỏ.
khối
thác từSong
các mỏ
khí.
Chúng
thường
tạicác
thành
từng
túi
khí
biệt lượng
hoặc
cùng
tồn
tại
ở
trên
các
lóp
dầu
mỏ.
Mêtan
luôn
là

họp
phần
chủ
yếu
của
khí
phân tửKhí
lượng
thành
cáchàm
hợplượng
chất khí
có axít
khốinhỏ
lượng phân
tử nhỏ
quá trình
ngọt:lớn
Là khí
chứa
định
trên là
. nhưng
Về mặt
định
tính
khí đồng
hành khá
giốnghơn
khíquy

thiên
nhiên,
về
Nguyễn
văn
Phúc
ổinh
viên
thực
hiện:
ngưng
tụ,
kết
hợp
các
hợp
chất
hữu
cơ
đơn
giản
thành
những
hợp
chất
hữu
cơ
ỗinh viên thực hiện:
234
Nguyễn văn Phúc

Chất

Hỗn hợp với không khí
Giới hạn dưới

Giới hạn trên
Giới hạn dưới

Trưòng Dại học Mỏ- Dịa chất
Trưòn#

CH4

5,3

CA

3,0

CA
n-C4H10

Hỗn họp với oxy

14

Giới hạn trên

5,4

61,0

66,0
Giới hạn12,5
cháy nổ dưới và3,0
trên của3+các cấu
tử
I.2.2.2.
Phân
loại
theo
hàm
lượng
c
khí
được tính theo công
2,2 hoặc với oxy 9,5
2,3 thức.
55,0

1

Dổ án tốt nghiệp

trong hỗn hợp với không

n-C5H12

8,5 lượng c3+ được
1,8chia làm 2 loại:49,0
Khí1,9
phân loại theo hàm
1,8
8,4
1,8
49,0
Y(ỊỊL+_ĩi+4+...+4)
= (1.1)
3+
3ioo
Khí
gầy:
Là
khí
Nì Ncó
2
N3hàm
Nk lượng khí hydrocacbon c nhỏ hơn 50g/lm ở
1,4
8,3

n-C6Hl4

điều
kiện tiêu chuẩn
1,2đó.
7,7 ( 15°c,latm).
Trong

1-C4H10

H2S

4,3

-

-

-

-

•
Y-45,5
giới
nổ của
hỗn hợp
Khí
béo:
Là hạn
khí cháy
có hàm
lượng
khí khí.
hydrocacbon c 3+lớn hơn 50g/lm3ở

điều kiện

chuẩn
( 15°c,latm).
• tiêu nj
- Phần
trăm thể tích hoặc phần trăm mol của cấu tử i trong hỗn
hợp khí.

1.3.

TÍNH CHẤT HOÁ LÝ CỦA HYDROCACBON

•
N j - Giới hạn cháy nổ của cấu tử i, được tra trong bảng sau.
Các khí hydrocacbon không màu, không mùi, không vị, trong quá trình
chế biến và sử dụng rất dễ gây nguy hiểm. Để xác định độ rò rỉ của khí
Bảngl.3.
Giới
hạn thêm
cháy vào
nổ (trong
theokhí
% chất
V) của
một tuỳ
sô khí
hydrocacbon,
người
ta phải
tạo mùi,
theo yêu cầu

và mức độ an toàn . Mercaptan là chất tạo mùi được sử dụng phổ biến trong
tại p= lbar
quy trình xác định độ rò rỉ của khí hydrocacbon.
Các hydrocacbon có tính chất khác nhau, hầu như không tan trong nước
nhưng có thể tan trong dung môi hữu cơ. Nhiệt độ sôi của các hydrocacbon no
mạch thẳng tăng dần theo số nguyên tử các bon trong mạch .

1.3.1.

Giới hạn cháy nổ

Giới hạn cháy nổ chính là phần trăm thể tích (%V) hoặc phần trăm mol
của khí trong hỗn hợp với không khí hoặc với oxy nguyên chất có thể cháy nổ
khi gặp nguồn lửa.
Giới hạn cháy nổ dưới’. Là phần trăm thể tích, hoặc phần trăm mol nhỏ
nhất của khí trong hỗn hợp với không khí, hoặc với oxy nguyên chất có thể
cháy1.3.2.
nổ khi gặpCác
nguồn
lửalượng
.
đại
tới

hạn[5]

Mỗi chất
có thểnổbiến
từ Là
trạng

tháitrăm
hơi thể
sangtích,
trạng
tháiphần
lỏngtrăm
khi nhiệt
độ
Giới
hạn cháy
trên:
phần
hoặc
mol lớn
giảm,
khi khí
áp trong
suất tăng
điềukhông
kiện nhiệt
độ thấp
giá chất
trị nào
nhất của
hỗn trong
hợp với
khí, hoặc
với hơn
oxy một
nguyên

có đó.
thể
Trên
nhiệt
không
thể biến hơi thành lỏng ở bất kỳ nhiệt độ nào. Nhiệt độ
cháy nổ
khiđộ
gặpđónguồn
lửa.
đó gọi là nhiệt độ tới hạn Tc. Tương ứng với Tc có một khái niệm áp suất tới
ỗinh viên thực hiện:

56

Nguyễn văn Phúc


c

7,977 + Yì'~

Trưòng Dại học Mỏ- Dịa chất

Dổ án tốt nghiệp

hạn Pc. Tại điểm tới hạn (Tc, Pc) không có khái niệm về lỏng sôi hay ngưng tụ
nữa.
Đối với một hỗn họp khí, nhiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn phụ thuộc
vào thành phần của hỗn hợp, ứng với mỗi thành phần khí sẽ tồn tại nhiệt độ giả

tới hạn (TPC) và áp suất giả tới hạn (PpC).
Nhiệt độ tới hạn Tc(nguyên chất ): Đối với các hydrocacbon từ C,-C 5
7V =

391,70-1)

2,645 + 0-l)C

+ 190,7

(1.2)

Trong đó:
n - Số nguyên tử cacbon của phân tử hydrocacbon.
Thể tích tới hạn

vc

(nguyên chất ). Cấc hydrocacbon từ C3-C16 có thể

vc =58,0.n + 22

(1.3)

Với n - Là số nguyên tử cácbon trong phân tử hydrocacbon.
Áp suất tới hạn Pc(nguyên chất): Đối với các phân tử hydrocacbon từ
49 51
Với n - Là số nguyên tử cácbon
trong
.

pc=
’ phân tử hydrocacbon
(1.4)
Đối với hỗn hợp khí, ta có công thức tính nhiệt độ và áp suất giả tới hạn.
(Tpc) = ỴĩcA

(1.5)

(Ppc) = 2X+'

(1.6)

Khi biết áp suất và nhiệt độ giả tới hạn của các cấu tử ta xác định được
nhiệt độ, áp suất, giả rút gọn (Tpr),( Ppr)
(Tpr) = T/(TPC) (1.7)
ỗinh viên thực hiện:

7

Nguyễn văn Phúc


Trưòng Dại học Mỏ- Dịa chất

Dổ án tốt nghiệp
(Ppr) = P/(PpC) (1.8)

Hệ số nén z của hỗn hợp khí được xác định dựa vào đồ thị tương quan
giữa (Tp,.) và ( Pp,).

Z = f(TPr,PPr).
Trong đó.
•

T,p - nhiệt độ và áp suất làm việc.

•

TC i,PC i - Là nhiệt độ và áp suất tới hạn của cấu tử i.

•

Yị - Là phần mol của cấu tử i trong hỗn hợp.

1.3.3.

Áp suất bão hoà

Ở trạng thái bay hơi cực đại, lúc giữa lỏng và hơi cân bằng, thì áp suất
hơi đó gọi là áp suất hơi bão hoà.
Áp suất hơi bão hòa là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của các
phân đoạn, các sản phẩm dầu mỏ. Nó có vai trò to lớn trong việc lựa chọn các
dây truyền công nghệ phục vụ sản suất, trong việc pha chế các sản phẩm sao
cho phù hợp với điều kiện khí hậu từng vùng, trong việc bảo quản và sử dụng
sản phẩm dầu khí. áp suất hơi bão hoà của chất nguyên chất khi đã biết nhiệt
độ sôi, nhiệt độ tới hạn, áp suất tới hạn thì được tính theo phương trình sau.
p„ = [/?-0,015 + 1,397.(7;-ổ)2+0,581(7;-
1h

1.9

Trong đó.
Ph = PBH/Pc 1.10

ổ = -0,1018 +0,3806./?-0,02861/?2

Th = T/rc 1.11

Ị3 = rA.lg(0,96784.Pc.).(l -Tị) 1.13

1.12

Áp suất hơi bão hoà của các cấu tử riêng biệt có thể xác định bằng
phương pháp đơn giản hơn, đó là phương pháp giản đồ, trong đó sử dụng giản

ỗinh viên thực hiện:

8

Nguyễn văn Phúc


Trưòng Dại học Mỏ- Dịa chất

Dổ án tốt nghiệp

Độ ẩm của khứ. Khí đồng hành và khí thiên nhiên khi khai thác từ lòng
đất thường bão hoà hơi nước, hàm lượng hơi nước phụ thuộc vào áp suất, nhiệt
độ và thành phần hoá học của khí. Mỗi một giá trị nhiệt độ và áp suất sẽ tương

ứng với hàm lượng hơi nước cực đại nhất định. Hàm lượng ẩm tương ứng với
hơi nước bão hoà tối đa được gọi là hàm lượng ẩm cân bằng. Người ta chia độ
ẩm của khí thành độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối.
Độ ẩm tuyệt đối: Là lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích hoặc
một đơn vị khối lượng của khí, thường được biểu diễn bằng gam nước/m 3khí
hay gam nước/kgkhí.
Độ ẩm tương đối: Là tỷ số giữa khối lượng nước có trong hỗn hợp khí và
lượng hơi nước cực đại có thể có trong thể tích khí đã cho, ở điều kiện bão hoà
( đo bằng phần trăm hoặc phần đơn vị), ở cùng điều kiên nhiệt độ áp suất.
% Hơi nước = i^-x 100% ( % )
W.H

(1.14)

Cần phải xác định được hàm ẩm trong khí đồng hành và khí thiên nhiên vì
hơi nước có thể bị ngưng tụ trong hệ thống, thiết bị, đường ống tạo ra các tinh
thể hydrat gây ra sự tắc nghẽn hoặc làm hư hỏng thiết bị . Đặc biệt khi có mặt
của các khí HoS, COơ trong khí sẽ thúc đẩy sự ăn mòn thiết bị, làm giảm thời
gian sử dụng cũng như tuổi thọ của thiết bị.
Độ ẩm của khí ngọt: Độ ẩm của khí ngọt tuân theo định luật Raoult, áp
dụng cho nước.
P.YW = P,XW (1.15)
•

p - áp suất của hệ.

•

Yw - Phần mol nước trong pha hơi.

•

Pv - áp suất hơi nước ở nhiệt độ hệ.

•

Xw - Phần mol của nước pha lỏng.

Phương pháp này có hạn chế đó là chỉ đúng với áp suất của hệ không
vượt quá 400Kpa ( 60Psi).

ỗinh viên thực hiện:

9

Nguyễn văn Phúc


Trưòn# Dại học Mỏ- Dịa chất

Dổ án tốt nghiệp

Trong những năm 1950, khí đốt thương mại được chế biến tại các nhà
máy NGL. Trong quy trình thực nghiệm người ta đã dùng biểu đồ logarit của
hàm ẩm ( hình 1.2 ). Hàm lượng nước được chỉ ra trên biểu đồ là hàm lượng tối
đa mà khí có thể giữ ở áp suất và nhiệt độ xác định trên biểu đồ.
Nồng độ tính theo khối lượng đối với mỗi đơn vị thể tích chuẩn có liên
hệ với phần mol ( Yw) như sau:
Kgnước/106 Std m3 = Yw . 18.41740.
Lbmnước/MM scf = Yw . 18 .2636.

Trong đó.

ỗinh viên thực hiện:

•

18 - Khối lượng phân tử của nước.

•

41740 - kmolkhí/Stdm3 ( 15°c,latm ).

10

Nguyễn văn Phúc


Trường Dại học Mỏ- Dịa ơhẩt

Dổ án tốt nghiệp

10000

160

?00

2/.0

Hình 1.2. Hàm ẩm của khí tự nhiên khô ngọt

ỗinh viên thực hiện:

11

Nguyễn văn Phúc


Trưòng Dại học Mỏ- Dịa chất

Dổ án tốt nghiệp

Hàm ẩm của khí chua: Sự có mặt của các khí H^s, COo đã làm tăng
hàm ẩm của các hydrocacbon, vì HoS và CCk là những chất phân cực nên
chúng có khả năng liên kết với các phân tử nước, do vậy một lượng nước bị
giữ lại với chúng. Nếu hàm lượng HUS và CCk càng lớn thì hàm lượng nước có
trong khí càng lớn. Trong quá trình thực nghiệm, các nhà khoa học đã xây
dựng được những biểu đồ xác định hàm lượng ẩm do HoS và C(Y đóng góp
phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất.
Có nhiều phương pháp để xác định hàm lượng ẩm của khí chua, một
trong những phương pháp đó là dựa vào phần mol của các chất khí trong hỗn
hợp khí.

Wc = WHC. YHC + WH2S. YH2S + WCQ2 • YCQ2 (1.11)
Trong đó.

ỗinh viên thực hiện:

•

Wc - Hàm ẩm của khí chua.

•

WHC - Hàm ẩm của khí ngọt.

•

WH,S - Hàm ẩm do H^s đóng góp.

•

WCCp - Hàm ẩm do C02 đóng góp.

•

YH2S - Phần mol

•

YCCp - Phần mol của C(Y trong khí chua.

•

YHC

của HoS trong khí chua.

= 1 - YH2S - YC02

12

Nguyễn văn Phúc


Trưòng Dại học Mỏ- Dịa chất

Dổ án tốt nghiệp

Hình 1.3. Hàm ấm của H2S trong hỗn hợp khí tự nhiên
bão hoà
ứng dụng của hàm ẩm. Hàm ẩm dùng để tính toán các quá trình tách ẩm và
dự đoán lượng nước bị ngưng tụ trong quá trình vận chuyển bằng đường ống,
vì nước ngưng tụ tạo ra sự ách tắc, ăn mòn đường ống và thiết bị. Do vậy cần
phải dự đoán hàm lượng nước chính xác. Nếu hàm lượng nước dự đoán thấp
hơn thực tế sẽ dẫn đến hiện tượng ngưng tụ gây tắc ngẽn đường ống, ăn mòn
thiết bị . Nếu dự đoán hàm lượng ẩm cao hơn thực tế sẽ làm cho chi phí đầu tư
tốn kém hơn. Dựa vào hàm ẩm mà ta có thể biết được hàm lượng nước trong
khí, từ đó đưa ra những phương pháp tách nước hữu hiệu hơn. Ví dụ, nếu hàm
lượng nước trong khí lớn thì cần phải xử lý sơ bộ (dùng các chất hấp thụ để xử
lý sơ bộ ) trước khi đi vào xử lý triệt để hơn ( Phương phấp hấp phụ ), tuỳ theo
mục đích sử dụng. Nên tính toán nhiệt độ đầu ra của khí nhỏ hơn nhiệt độ môi
ỗinh viên thực hiện:

13

Nguyễn văn Phúc


Trưòng Dại học Mỏ- Dịa chất

Dổ án tốt nghiệp

Điểm sương (theo nước ): Là nhiệt độ mà tại đó hơi nước trong khí bắt đầu
ngưng tụ tạo thành sương mù, ta gọi đó là điếm sương ( ở điều kiện áp suất
nhất định).

1.3.5.

Nhiệt trị

Nhiệt trị là hiệu ứng nhiệt của phản ứng oxy hoá hoàn toàn một lượng
nhiên liệu trong khí oxy nguyên chất để tạo ra các sản phẩm cuối cùng gồm
các oxit cao nhất và các chất tương ứng.
CnH2n+2 + 3^1102 => nC02 + (n+1) H20 + Q
Nhiệt trị của hỗn hợp khí được tính theo công thức sau.
AHChh = 2 AHa .Y.ẽ

[ kj/kg, kcal/kg ]

(1.12)

Trong đó.
•

AHChh - Nhiệt trị của hỗn hợp khí.

•

AHCê - Nhiệt trị của cấu tử i.

Trong công nghiệp, người ta thường dùng khái niệm nhiệt trị trên và
nhiệt trị dưới.
Nhiệt trị trên (Qt) là nhiệt trị thu được khi sản phẩm có nước tạo thành ở
thể lỏng, bão hoà COo và các sản phẩm cháy khác .
Nhiệt trị dưới (Qd) là nhiệt trị thu được khi nước ở thể hơi.
(Qt) = (Qd) + 588.(9H +w ).
Trong đó.
•

588 - Là nhiệt ngưng tụ của một kg hơi nước.

•

H - Số kg hydro liên kết.

•

w - Số kg hơi nước có mặt trong một kg nhiên liệu ở thể hơi.

Trong thực tế người ta không sử dụng nhiệt trị trên vì nước sinh ra ở

ỗinh viên thực hiện:

14

Nguyễn văn Phúc


Ưu điểm

Chất

Nhược điểm

Trưòng
Trưòng Dại
Dại học
học MỏMỏ- Dịa
Dịa chất
chất

Dổ
Dổ án
án tốt
tốt nghiệp
nghiệp

hấp
hấpđược
phụ,thải
được
thựctheo
hiệnđường
kế tiếp
quá trình hấp thụ làm giảm điểm sương của
ra ngoài
thải.
Tiêu
hao

Độsẽ hút
ẩm
cao,
khá
bền khi
có khí
1.4.1.
Phương
pháp
hấp
thụdo thất thoát bay hơi
khí xuống khoảng -85đến-100°c tuỳ thuộc vào mục đích khí khô cần sử dụng.
caođược
hơn sử
so với
TEG.
mặt của hợp chấtPhương
lưu huỳnh,
CO-,,
pháp
hấp thụ
dụng
rộng rãi để làm khô khí tại các công
Tách
ẩm
bằng
phương
pháp
hấp
phụ

là tập trung hơi nước lên bề mặt
DEG
khôichế
lượng
trình1.3.6.
ống dẫn Tỷ
khí,khối,
nhà máy
biến riêng
khí ... Trong công nghiệp hiện nay chất
hoặc trong các mao quản của chất rắn, quá trình sấy khô bằng chất hấp phụ
hấp phụ thường được sử dụngKhó
là những
tái sinh
dung
để đạt
dịchnồng
nướcđộđậm
> đặc của mono, di
2.
dựa vào khả năng của vật thể rắn với cấu trúc xác định, hấp phụ lượng ẩm từ
và tri etylenglycol.
Khốiđộ
lượng
riêng
Của
là khối
của Sau
một đó
đơntách

vị thể
chất
khí ở nhiệt
tương
đối (p)
thấp
gọikhí
làthành
quá
trình
hấp phụ.
ẩm tích
khi tăng
95%,giá
cao.lượng
Không
đông
điềugiải hấp phụ. Sự kết hợp của hai quá trình này trong
nhiệtbị độSấy
gọikhô
làđặc
quáởsử
trình
dụngnhất
chấtđịnh.
hấp thụ khác nhau dựa trên sự khác biệt về áp
khí đó ở nhiệt
độkhí
và áp suất
một

cho phép
tách ẩm
một
cách
liên
tụccao
từ
khí.
Độ hút
ẩmthiết
cao.bịphần
Chikhí
phívàđầu
tư
. hấp thụ. Giá trị điểm sương
suất
riêng
của nước
trong
trong
chất
3
= m/v;độ[g/lit
] hoặc
[kg/m
] dịch
(1.13)
của khí tuỳ thuộc vàop nồng
glycol
trong

dung
làm khô khí. ở các thiết
bị
công
nghiệp,
sự
sấy
khô
đến
điểm
sương
cân
bằng
Bền khi có • các khí
HoS,
C02, [kg]
TEG có thể tạo màng đối làvớikhông thể thực hiện
m
Khối
lượng
được vì khí chí tiếp xúc với glycol có nồng độ đã tính toán ở đĩa trên cùng, còn
TEG
hợp chất các
của oxy.
HC
lỏng.
đĩa dưới, nồng độ glycol
3 giảm do sự hấp thụ nước. Do đó, trong các thiết bị
•
V - Thể

tích [m
] tế của khí sấy khô sẽ cao hơn từ 5-10°C so với
công nghiệp
điểm
sương
thực
Bảngl.6. Một sô chất hấp phụ thường dùng làm khô khí
điểmsinh
sương
cân
Thông
thường,
sự sấy
khô khínhiều
bằng glycol không lớn
Dễ tái
đạt(d)bằng.
nồng
độ khí
HC
trong
Tỷđểkhối
của chất
là hoà
tỷ sốtangiữa
khốiTEG
lượng riêng của chất khí đó
hơn -25 đến -30°c. Muốn sấy triệt để hơn thì cần dung dịch glycol đậm đặc
với khối lượng riêng của không khí
trong

cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất.
99%.
so với
DEG.
hơn. Khi đó, sẽ làm tăng hơn
sự tiêu
hao
glycol cùng với khí khô. Để thu được
glycol
có
nồng
độ
cao
ở
các
thiết
bị
sấy
tái sinh chất hấp thụ
Có thể 1.3.7.
đồng thời Độ
tách
nước,
Độ thất thoátkhô,
lớn quá
hơn trình
so với
dẫn
nhiệt
X

cần phải tiến hành với sự có mặt của khí trơ .
H2S, C02 ra khổi khí.
khi sử dụng TEG.
Độ dẫn nhiệt của một chất được hiểu là lượng nhiệt truyền qua một đơn
vị tiết diện ( vuông góc với phương truyền nhiệt ), trong một đơn vị thời gian
Khả năng
tạoHơi
màng
rất đơn
thấp.
sử dụng
để chất
sấy khô
và Sự sấy khô, được
MEA
nước
có thể
từ khí
bằng các
hấp thụ.
khi gradien
bằng
vị. tách raChỉ
xác định bằng khả năng hấp thụ, nhiệt độ và áp suất, sự tiếp xúc giữa khí và
làm sạch các khí có tính axit.
chất hấpCác
thụ,hydrocacbon
khối lượng ởchất
hoànnhiệt
tronglớnhệgấp

thống
của
thể hấp
lỏngthụ
có tuần
độ dẫn
10 và
lầnđộ
so nhớt
với các
chất
hấp thụ. ở thể hơi. Khi nhiệt độ tăng thì độ dẫn nhiệt của các hydrocacbon
hydrocacbon
Dễnhiệt
gây độ.
ăn Các
mònhydrocacbon
kim loại ởkhínhiệt
lỏng giảm tuyến tính với
độ dẫn nhiệt giảm khi
phân tử lượng tăng . Khi áp
suất
tăng
độ
dẫn
nhiệt
của
hydrocacbon
tăng theo
độ tái sinh.

do mật độ của cácNhiệt
phânđộ
tử phân
hydrocacbon
Glycol
huỷ. tăng theo.

MEG

1.4.

165°c
(329°F)
CÁC PHƯƠNG
PHÁP
LÀM KHÔ KHÍ

DEG

164°c (328 °F)
Có nhiều phương pháp làm khô khí. Khí được làm khô với mục đích
TEG
206 °c (404 °F)
tách hơi nước và tạo ra cho khí có điểm sương theo nước thấp hơn so với nhiệt
TTEG
238 °c (460 °F)
độ cực tiểu mà tại đó khí được vận chuyển hay chế biến.
Bôxit
Đất sét
Gel

Zeolit

Chỉ tiêu
Dạng hạt

T,V,C,B
T,C,B
TrongKXD
công
nghiệp,
các
phương C,B
pháp làm khô
khí thường được sử dụng
1.4.2.
Phương
pháp
hấp
Kích thước hạt (mm). hiện nay
KXD
0,6-0,6
2,4-4,0
1,6-3,2
là: phụ
Độ xốp bên trong (%).
Tỉ trọng rời (kg/m3)
Đường

kính

Tách ẩm bằng phương pháp hấp thụ làm giảm điểm sương của khí theo
25-35
25-40
30-40hút ẩm. 30-55
thụ bằng
hơi nước đến nhiệt• độHấp
khoảng
-30°c.chất
Sấylỏng
khô khí thực hiện bằng phương pháp
690-960
480-850
400-770
480-800
ổinh
ỗinhviên
viênthực
thực
hiện:
ỗinh
hiện:
8,0-40,0

6,0-20,0

15
3,5-14,0
17
16

0,3-1

25-150

100-300

200-900

500-800

trung

bình

phụ

hoạt

lỗ xốp (nm)
Bề

mặt

hấp

động trung bình (m2/g)

Nguyễnvăn
vănPhúc
Phúc

Nguyễn


Dung

tích

hấp

phụ

của

chất hấp phụ(g/g)
Nhiệt dung(kj/kg.°C)
Độ

dẫn

nhiệt

0,04-0,15

0,1-0,25

0,14-1

0,2-0,65

0,83736

1,005-1,047

0,921

0,837

830-879

795-1172

795

(kj/m2.h.°C)
Nhiệt

hấp

tính
lượng

phụ

trên

đơn

chất

cực

đại

vị

khối

hấp

phụ

4187

4787

4187

4187

(kJ/kgnước)

• KXD - Không xác định.
ỗinh viên thực hiện:

18

Nguyễn văn Phúc


Trưòng Dại học Mỏ- Dịa chất

Dổ án tốt nghiệp

• T- Hình trụ.
• V - Dạng viên.
• c - Dạng cầu.
• B - Dạng bột.
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 lớp chất hấp phụ
chuyển động. Các quá trình liên tục ít được sử dụng do thiết bị và công nghệ
phức tạp. Trong quy trình gián đoạn về mặt nguyên tắc hệ thống thiết bị phải
có ít nhất hai thiết bị trở lên. Trong đó một thiết bị đóng vai trò hấp phụ, thiết
bị thứ hai đóng vai trò giải hấp phụ và khi cần thiết, thiết bị thứ ba có vai trò
làm nguội chất hấp phụ.
Trong quá trình hấp phụ các cấu tử hấp phụ từ khí được hấp phụ với vận
tốc khác nhau. Do vậy, trong một lớp hấp phụ có nhiều vùng khác nhau, được
hình thành ngay từ đầu của chu trình chúng chuyển động liên tục trên lớp hấp
phụ. Hoi nước là cấu tử được hấp phụ trước tiên, khi đó hình thành một vùng
hấp phụ dọc theo chiều chuyển động của khí. Tại thời điểm khi vùng nước hấp
phụ xuống đến lớp hấp phụ cuối cùng thì hàm lượng ẩm trong khí đã sấy khô
tăng mạnh, điều này là do chúng đã bị bão hoà hơi nước trong chất hấp phụ và
cần phải kết thúc quá trình hấp phụ. Nếu hơi ẩm thoat ra ngoài thì khí còn lẫn
phải đưa vào thiết bị khác chứa chất hấp phụ đã tái sinh.

1.5.

ỨNG DỤNG CỦA KHÍ

Trước đây, ở nước ta khí tự nhiên và khí đồng hành chưa được khai thác và
sử dụng một cách họp lý. Khí đồng hành thường bị đốt bỏ ngay tại giàn, khí tự

nhiên chưa được khai thác đúng cách, điều này đã gây nên sự lãng phí tài
nguyên của đất nước. Ngày nay khí đồng hành và khí tự nhiên đã được con
người sử dụng hợp lý, ứng dụng chúng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau.
Trong đó, hai lĩnh vực được ứng dụng rộng rãi nhất là :
s Làm nhiên liệu.

ỗinh viên thực hiện:

19

Nguyễn văn Phúc


Trưòng Dại học Mỏ- Dịa chất

Dổ án tốt nghiệp

S Làm nguyên liệu.

1.5.1.

ứng dụng làm nhiên liệu

Khí đồng hành và khí tự nhiên được sử dụng làm nhiên liệu, thường có ưu
điểm hơn so với các nguyên liệu khác:
• Cháy tạo ít khói và muội, ít gây ô nhiễm môi trường.
• Nhiệt trị cao và phân bố đều.
• Hệ thống cung cấp khí đơn giản, có thể tự động hoá, nâng cao năng suất
thiết bị, so với các loại nhiên liệu khác như than củi, dầu dienzen, FO...
khí hydrocac bon này là loại nhiên liệu rẻ tiền nhất nhưng lại mang lại

hiệu quả cao.
Khí đồng hành và khí tự nhiên được sử dụng trong các ngành kinh tế quốc
dân như: Năng lượng, công nghiệp, khí đốt dân dụng... nó tỏ ra có ưu thế hơn
các loại nhiên liệu khác.

1.5.2.

ứng dụng làm nguyên liệu

Đối với các ngành công nghiệp hoá dầu ở các nước phát triển như Mỹ,
Nhật... thì khí tự nhiên và khí đồng hành là nguồn nguyên liệu hết sức quan
trọng. Loại nguyên liệu này đem lại lợi nhuận kinh tế rất lớn. Các lại khí này
được ứng dụng để sản xuất chất dẻo, PVC, metanol, dược phẩm ...

1.6.

TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN

CHUNG CỦA DẦU KHÍ VIỆT

NAM
1.6.1.

Tổng quan về dầu khí thê giới

Trong những năm gần đây thế giới đang lâm vào một cuộc khủng hoảng
năng lượng, giá dầu thô trên thị trường thế giới liên tục tăng cao, giá dầu trung
bình có lúc lên đến 70ƯSD/thùng. Cuộc khủng hoảng này sẽ được khắc phục
ỗinh viên thực hiện:

20

Nguyễn văn Phúc


Trưòng Dại học Mỏ- Dịa chất

Dổ án tốt nghiệp

Nguồn dầu khí trên thế giới phân bố không đều, trong đó dầu mỏ chủ
yếu tập trung ở khu vực Ttrung Đông 63,3%, châu âu và châu á 9,2%, trung và
nam mỹ 8,9%. Khí đốt cũng tập chung chủ yếu ở khu vực Trung Đông 40,8%,
châu âu và châu á 35,4%.
Giá các loại năng lượng không ổn định, đặc biệt là giá dầu thường thay
đổi theo biến động của chính trị thế giới. Trong năm 2004 giá dầu tăng từ
25USD/thùng đến 50ƯSD/thùng. Những tháng dầu năm 2006 giá dầu lên đến
70ƯSD/thùng.

1.6.2.

Tổng quan về dầu khí Việt Nam

Năm 2003, tổng sản lượng sản xuất đạt khoảng 35,1 triệu tấn dầu, trong
đó dầu thô đạt 17,53 triệu tấn.
Sản xuất năng lượng có tốc độ tăng bình quân giai đoạn 1991-2003 là
13,14%/năm, trong đó kai thác dầu tăng 16,5%.
Co cấu năng lượng sản xuất năm 2003, dầu mỏ chiếm tỷ trọng lớn nhất
48%, tiếp đến là than 31,5%, thuỷ điện 13% và khí đốt tăng 7,5%.
Năm 2003, Việt Nam xuất khẩu 17,2 triệu tấn dầu thô, trên 7 triệu tẩn
than. Giá trị xuất khẩu năng lượng đạt khoảng 4 tỷ USD, tăng 16,5% so với

năm 2002 và bằng 17,3% kim ngạch xuất khẩu của cả nước.

1.6.3.

Tiềm năng khí của Việt Nam

Việt Nam là quốc gia được đánh giá có tiềm năng khí khá lớn. Trữ
lượng tiềm năng khoảng 1500 tỷ m3 gồm:
•

160 tỷ m3 khí đồng hành.

•

1130 tỷ m3 khí không đồng hành.

•

200 triệu m3 condensat.

Đến nay trữ lượng xác minh là 500tỷ m 3 khí, các mỏ phân bố rải rác từ
Bắc vào Nam, trong đó chủ yếu tập trung ở. Bể trầm tích Sông Hồng, Phú
Khánh, Nam Côn Sơn, Cửu Long, Ma Lay- Thổ Chu, Hoàng Sa -Truờng Sa.

ỗinh viên thực hiện:

21

Nguyễn văn Phúc

Trưòn# Dại học Mỏ- Dịa chất

Dổ án tốt nghiệp

Bể Sông Hồng trữ lượng tiềm năng thu hồi khoảng 550-700 triệu m 3 quy dầu
trong đó chủ yếu là khí, chiếm 14% tổng tiềm năng khí của Việt Nam. Đến
nay đã phát hiện 250 tỷ m3 khí, có hàm lượng C02 cao, do đó tiềm năng kinh
tế thấp.
Bể Phú Khánh tiềm năng 300-700 triệu m 3 quy dầu, chiếm 10% trữ
lượng tiềm năng của Việt Nam.
Bể Cửu Long được đánh giá là có trữ lượng tiềm năng lớn nhất 700-800
triệu m3 quy dầu, chiếm 20%. Trong đó bao gồm 279 triệu m 3 dầu, 56 tỷ m3
khý đồng hành, lượng khí không đồng hành không đáng kể.
Bể Nam Côn Sơn có trữ lượng 650-750 triệu m3 quy dầu, chiếm 17%
tiềm năng trong đó khí chiếm 35-38% trữ lượng. Theo đánh giá trữ lượng của
bể bao gồm 74 triệu m3 dầu, 15 tỷ m3 khí đồng hành, 159 m3 khí không đồng
hành, 23 triệu m3 condensat. Lượng ccx trong mỏ không đáng kể, hiện nay
đang khai thác tai mỏ Đại Hùng.
Bể MaLay- Thổ Chu tiềm năng của bể chiếm 5% tổng tiềm năng, 150230 m3 quy dầu. Trong đó có 12 triệu m 3 dầu, 3 tỷ m3 khí đồng hành, 2 triệu
m3 condensat. Lượng khí bể này bị nhiễm C02.
Nhóm Hoàng Sa -Trường Sa có khoảng 1-1,5 tỷ m3 khí quy dầu, chiếm 30%
tổng lượng khí Việt Nam.
Về mặt tiềm năng hai bể Nam Côn Sơn và Sông Hồng có triển vọng về
khí, Bể Cửu Long có triển vọng về dầu nhưng lượng khí đồng hành cũng rất
lớn.

1.6.4.

Nhu cầu sử dụng khí ở Việt Nam

Việt Nam là một nước đang phát triển, nhu cầu sử dụng sản phẩm năng
lượng ở Việt Nam tăng rất nhanh. Thị trường tiềm năng khí của Việt Nam chủ
yếu cung cấp cho các ngành sản xuất điện, công nghiệp, nhiên liệu dân dụng,
sản suất phân bón.

1.6.4.1. Nhu cầu cho ngành điện

ỗinh viên thực hiện:

22

Nguyễn văn Phúc


Trưòng Dại học Mỏ- Dịa chất

Dổ án tốt nghiệp

Nhu cầu về tiêu thụ điện năng của Việt Nam là rất lớn, bình quân khi
thu nhập đầu người tăng 1% thì cần tăng 2-3% năng lượng. Việc sử dụng khí
thiên nhiên làm nguồn nhiên nhiên liệu có nhiều ưu việt so với các nguồn
nhiên liệu khác. Những tính ưu việt của sử dụng khí thiên nhiên làm giảm giá
thành sản xuất điện sử dụng khí, tăng tính cạnh tranh của sử dụng khí so với sử
dụng các loại nhiên liệu khác.
Do vậy việc sử dụng các nhà máy điện tuabin chạy bằng khí là phương
án rất khả thi cho những vấn đề đáp ứng nhu cầu về điện.

1.6.4.2. Nhu cầu cho công nghiệp và nông nghiệp
Ngoài nhu cầu về điện năng sử dụng cho các ngành công nghiệpvà các

khu công nghiệp tập trung tại TP Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Bình Dương, Bà
Rịa Vũng Tàu, dự án xây dựng nhà máy sản xuất Metanol trị giá 350 triệu
USD, tiêu thụ óOOtriệu m3 khí/năm, đã được phê duyệt. Bên cạnh đó nhà máy
khí điện đạm Cà Mau đang triển khai cùng với cụm Khí-Điện-Đạm Phú Mỹ
đang được triển khai cũng tiêu thụ lượng khía khá lớn.

1.6.4.3. Nhu cầu cho nhiên liệu
Trong giai đoạn hiện nay, xu hướng chuyển đổi việc sử dụng khí thiên
nhiên thay thế cho xăng dầu trong các phương tiện giao thông, các lò đốt sử
dụngnhiên liệu nặng như FO hoặc than củi với mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm
môi trường.

1.7.
CHIẾN LƯỢC KHAI THÁC DAU KHÍ CỦA VIỆT
NAM
Phát triển phát hiện dầu khí một cách linh hoạt, với sản lượng khai thác
dầu khí hợp lý và ổn định cho từng mỏ. Sử dụng công nghệ cao, đầu tư khai
thác thứ cấp để nâng cao hệ số thu hồi dầu và đầu tư ngiên cứu các giải pháp
công nghệ mới nhằm khai thác các mỏ khí có nhiễm CCb cao để đạt mục tiêu
sản lượng khai thác dầu khí đã đề ra.
Tận dụng cơ hội mua thêm cổ phần các mỏ đang phát triển và khai thác.
Tự điều hành công tác phát triển mỏ và khai thác các mỏ dầu khí nhỏ, tới hạn.
ỗinh viên thực hiện:
23
Nguyễn văn Phúc


Trưòng Dại học Mỏ- Dịa chất

Dổ án tốt nghiệp

Kiểm soát chặt chẽ công nghệ thiết bị khai thác, bảo vệ tài nguyên và môi
trường.

ỗinh viên thực hiện:

24

Nguyễn văn Phúc


Trưòng Dại học Mỏ- Dịa chất

Dổ án tốt nghiệp

CHƯƠNG 2. HẤP PHỤ
2.1.

HẤP PHỤ [5, 6,7,8,9,10, ]

Hấp phụ là hiện tượng bề mặt một pha ngưng tụ thu hút, tập trung các
tiểu phân của một pha lưu khác tiếp xúc với nó. Pha ngưng tụ có thể là
rắn,lỏng. Pha lưu có thể là lỏng, khí. Chất có bề mặt thu hút các tiểu phân là
chất hấp phụ, chất bị thu hút là chất bị hấp phụ.
Người ta phân biệt sự hấp phụ vật lý và sự hấp phụ hoá học. Trong sự
hấp phụ vật lý, lực hấp phụ có cùng bản chất với lực Vander Waals, gây nên sự
ngưng tụ khí. Sự hấp phụ vật lý luôn thuận nghịch. Trong sự hấp phụ hóa học,
lực hấp phụ có bản chất hoá học, thường bất thuận nghịch.
Sự hấp phụ vật lý xảy ra một cách tự nhiên. Chất bị hấp phụ có xu hướng
chiếm hoàn toàn bề mặt vật hấp phụ. Quá trình này bị một quá trình khác

chống lại đó là quá trình giải hấp. Sự giải hấp có xu hướng giống như sự
khuếch tán, là phân bố đều đặn vật chất vào hệ nhờ chuyển động nhiệt. Đối với
mỗi nồng độ của chất hấp phụ trong môi trường hấp phụ, có một trạng thái cân
bằng hấp phụ, tương tự như cân bằng ngưng tụ và bay hơi. Lượng chất hấp phụ
càng lớn thì sự hấp phụ càng mạnh, khi nhiệt độ cao thì sự hấp phụ giảm.
Để xác định lượng chất hấp phụ, cần phải xác định bằng thực nghiệm, ở
áp suất khí hoặc nồng độ trước và sau khi hấp phụ của chất bị hấp phụ tại bình
xảy ra sự hấp phụ. Sự hấp phụ còn được xác định theo phương pháp cân bằng
hấp phụ.

2.2.

BẢN CHẤT CỦA HIỆN TƯỢNG HẤP PHỤ

Nguyên nhân của hiện tượng hấp phụ là do các liên kết vật lý, liên kết
hoá học hình thành giữa bề mặt chất hấp phụ và các tiểu phân bị hấp phụ. Nếu
hiện tượng hấp phụ xảy ra chỉ do lực vật lý thì đó là hiện tượng hấp phụ vật lý.
Hiện tượng hấp phụ hoá học xảy ra do lực liên kết hoá học. Không có hiện

ỗinh viên thực hiện:

25

Nguyễn văn Phúc


Khí
(kcal/mol)

w

02
-72

C12

NH3

C02

H20

-31,9

-16,9

-8,4

-9,4

Trưòng
Trưòn# Dại
Dại học
học MỏMỏ- Dịa
Dịa chất
chất

Dổ
Dổ án
án tốt

tốt nghiệp
nghiệp

tượng
hoá có
họcgiới
thuần
trong
kỳ cùng
hiện một
tượng
hấp
phụhấp
nàyphụ
không
hạn tuý,
giõ bởi
rệt. Sự
hấpbấtphụ
chấthấp
bị phụ
hấp nào
phụ
cũngcùng
mangmột
cả đặc
lý.trong điều kiện này có tính chất hoá học, nhưng
trên
vậttrưng
hấp vật

phụ,
trong điều kiện khác nó lại có tính chất vậy lý. Thường thì sự hấp phụ vật lý
tạosựrahấp
các phụ
liên hoá
kết học.
nên hấp
quábịtrình
xảy ra Do
trước
Lúc phụ
đầu làchất
hấp toả
phụnhiệt.
bị hấpLực
phụhấp
bởiphụ
bề
vật do
lý các
vật lực
lý nhỏ
nhiệtđóhấp
thường
nhỏ.
hấplựcphụ
mặt
vật lýnên
rồi sau
liên phụ

kết với
bề mặt
hấpNhiệt
phụ nhờ
hoáhoá
học.học lớn
hơn, trong nhiều trường hợp có thể coi như nhiệt phản ứng hoá học.
Hấp phụ hoá học không phải là một phản ứng hoá học vì không tạo ra
là Đặc
quá trình
đồng
trình lọc
hấpcao.
phụ Mỗi
là quá
chất hoáHấp
họcphụ
mới.
trưng tựcủaxảy
hấpra,phụ
hoáthời
họcvới
là quá
sự chọn
bề
trình
giải
hấp.
Do
vậy

quá
trình
hấp
phụ
có
thể
đạt
đến
trạng
thái
cân
bằng
hấp
mặt chí hấp phụ một số chất nhất định, hấp phụ hoá học chỉ xảy ra khi chất bị
phụ,phụ
ở đócó
lượng
chấtrabị liên
hấp phụ
không
theo
hấp
thể tạo
kết hoá
họcđổivới
bềthời
mặtgian.
chất hấp phụ. Ví dụ khi cho
dung dịch KC1, NaN03 tiếp xúc với bột AgBr thì chỉ có các ion cr bị hấp phụ.

2.3.

HẤP PHỤ VẬT LÝ VÀ HÂP PHỤ HOÁ HỌC

Nhiệt của hấp phụ hoá học có thể đạt đến 200kcal/mol trong khi đó

2.3.1.

nhiệt

Hấp phụ vật lý

của
hấp
phụ
vậy
lý
chỉ
đạt
từ
2-8kcal/mol.
Khi lực tương tác giữa các phân tử là lực Vander Walls, sự hấp phụ đó
AHhp: Nhiệt hấp phụ
được coi là hấp phụ vật lý.
❖ Lực VANDER WAALS
Nếu \&Hhp\ < 10 kcal/mol là hấp phụ vật lý.
Lực Vander Waals hay lực giữa các phân tử, đây là lực đã làm cho khí
Nếu |AHhp\ > 10 Kcal/mol là hấp phụ hoá học.
lệch khỏi trạng thái lý tưởng đặc trưng bởi hằng số a trong phương trình
Vander Waals[10].

(P+^).(V-b) = RT (2.1)
Các lực
thuộc
lựcNhiệt
Vanderhấp
Waals:
Bảng
2.1.
phụ của khí nên cacbon hoạt tính của một
> Tương tác giữa các phân
có cực không đổi ( hiệu ứng định
sô tử
chất.
hướng).
> Tương tác giữa các phân tử có cực không đổi với phân tử có cực cảm
ứng (Hiệu ứng cảm ứng).
Tương
tác giữa
2.3.3. >Tốc
độ hấp
phụcác phân tử không phân cực (hiệu ứng phân tán).
lực tạo
nên
liên kết hydro.
2.3.3.I. >TốcCác
độ hấp
phụ
vậtdolý[7]

2.3.2.

phụvậthoá
5, lớn,
7] do năng lượng hoạt hoá hầu như
Tốc độ Hấp
hấp phụ
lý học[10,
thường rất
cạnh sự hấp phụ
vật lýviệc
điểnxác
hình,
người
gặp sựrấthấpkhó
phụkhăn.
hoá
không Bên
có (0-5kcal/mol),
vì vậy
định
tốc tađộcònthường
học. Đây là sự hấp phụ xảy ra nhờ các lực hoá học. Tuy nhiên giữa hai dạng
Trong nhiều trường hợp, cân bằng hấp phụ đạt được sau 10-20 giây, 90-95%
chất bị hấp phụ đã liên kết với vật hấp phụ chỉ sau 1-2 giây. Trong thực tế
ổinh viên
viên thực
thực hiện:
hiện:
ỗinh

27

26

Nguyễn văn
văn Phúc
Phúc
Nguyễn


Trưòng Dại học Mỏ- Dịa chất

Dổ án tốt nghiệp

người ta chấp nhận, tốc độ hấp phụ được xác định bằng tốc độ mà chất bị hấp
phụ tiến đến bề mặt vật hấp phụ nghĩa là bằng tốc độ khuếch tán.
Nguyên nhân mà trong một số trường hợp sự hấp phụ vật lý diễn ra
chậm là do cấu tạo của chất hấp phụ. Các chất hấp phụ thường có cấu trúc xốp,
sự thâm nhập của các phân tử chất bị hấp phụ vào các lỗ xốp đòi hỏi thời gian
dài hơn. Nguyên nhân của sự hấp phụ chậm cũng có thể do bề mặt hấp phụ đã
hấp phụ sẵn không khí hoặc hơi nước.
Phương trình biểu diễn tốc độ hấp phụ.
ỂL = K.ỢCB-Tr) 2.2
dĩ
Trong đó.
•

T -Lượng chất bị hấp phụ sau thời gian T .

• TCB - Lượng chất bị hấp phụ ứng với sự thiết lập cân bằng hấp phụ trong
những điều kiện đã cho.
•

K - Hệ số.

Từ phương trình ta thấy càng gần đến trạng thái cân bằng thì sự hấp phụ xảy ra
càng chậm.
Đôi khi người ta còn dùng phương trình Bederke - Frendrich.
T = K. r" (2.3)

n- Số thứ nguyên.
2.3.3.2. Tốc độ hấp phụ hoá học[7]
Tốc độ hấp phụ hoá học thường nhỏ hơn tốc độ hấp phụ vật lý, do năng
lượng hoạt hoá của hấp phụ hoá học lớn hơn rất nhiều so với năng lượng hoạt
hoá của hấp phụ vật lý(> lOkcal/mol), đây là nguyên nhân chính làm cho tốc
độ hoạt hoá của hấp phụ thường nhỏ hơn tốc độ hấp phụ vật lý.
Tốc độ của quá trình hấp phụ được tính theo phương trình:
KHP = K o . ^ - ( 2 . 4 )

ỗinh viên thực hiện:

28

Nguyễn văn Phúc


Trưòng Dại học Mỏ- Dịa chất

Dổ án tốt nghiệp

Trong đó:
• KIIP - Hằng số tốc độ của hấp phụ hoá học.

• KQ - Hệ số đặc trưng cho xác suất hình học.
• Ec - Năng lượng hoạt hoá.
• Ze - Số va chạm của phân tử chất bị hấp phụ trên một đơn vị bề mặt
trong một đơn vị thời gian (Ze tỷ lệ với áp suất).

2.4.

LÝ THUYẾT HÂP PHỤ

Có 3 dạng hấp phụ chủ yếu là.
z Hấp phụ trên ranh giới rắn - khí.
z Hấp phụ trên ranh giới lỏng - khí.
z Hấp phụ trên ranh giới rắn - lỏng.
Trong nội dung đồ án này, sự hấp phụ trên ranh giới rắn - khí được ứng
dụng chủ yếu.
Sự hấp phụ của khí lên bề mặt vật rắn là trường hợp phổ biến nhất của sự
hấp phụ. Hệ thống khảo sát chỉ có hai cấu tử, do vậy trưòng hợp hấp phụ khí
lên bề mặt rắn đặc biệt thuận lợi để khảo sát lý thuyết các hiện tượng hấp phụ.
Có nhiều thuyết khảo sát về hiện tượng hấp phụ này.

2.4.1.

Thuyết hấp phụ đon phân tử Langmuir

a. Các giả thuyết Langmuir đã sử dụng
Sự hấp phụ là do các lực hoá trị hoặc do các lực hoá trị dư gây ra.
Sự hấp phụ các phân tử chất bị hấp phụ xảy ra tại các trung tâm hoạt
động, các trung tâm này luôn luôn có trên bề mặt của chất hấp phụ. Những
trung tâm này có thể là các đính, các điểm đó có ở bất kỳ bề mặt nào ngay cả ở
bề mặt phẳng trơn.

ỗinh viên thực hiện:

29

Nguyễn văn Phúc


Trưòn# Dại học Mỏ- Dịa chất

Dổ án tốt nghiệp

Các phân tử chất bị hấp phụ bị giữ bởi các trung tâm hoạt động trong
một khoảng thời gian nhất định. Sau khoảng thời gian đó các phân tử chất bị
hấp phụ bị đứt ra khỏi bề mặt của chất hấp phụ, và chuyển vào pha khí. Các
trung tâm hoạt động lại hấp phụ các phân tử khí mới.
Langmuir bỏ qua lực tương tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ, có
nghĩa là thời gian lưu lại của các phân tử khí trên các trung tâm hấp phụ không
phụ thuộc vào các trung tâm bên cạnh có bị chiếm bởi các phân tử khí khác
không.
Langmuir cho rằng bề mặt vật rắn liên kết hoá học yếu ớt với các phân
tử khí bị hấp phụ, do vậy sự hấp phụ chỉ tạo ra một lớp đơn phân tử của chất bị
hấp phụ trên bề mặt vật rắn, ở xa hơn lực liên kết hoá học không tồn tại nữa.
Do vậy lóp hấp phụ có bề dày bằng độ dày phân tử, đây chính là lóp hấp phụ
đơn phân tử.
b. Phương trình tính toán

M=
•

M - Lượng hấp phụ.

•
•

KP
A/_
1 + KP (2.5)

- Lượng hấp phụ cực đại.
p - Áp suất chất bị hấp phụ.

•

K - Hằng số tỷ lệ.

c. Ý nghĩa
Từ phương trình tính toán ta có thể biết được lượng chất hấp phụ, và
lượng chất hấp phụ cực đại. Phương trình này miêu tả khá tốt cân bằng hấp phụ
ở áp suất trung bình.

2.4.2.

Thuyết hấp phụ của BET

Sự hấp phụ có thể không dừng lại ở lớp đơn phân tử. Sau lóp thứ nhất, là
sự hấp phụ lớp thứ hai, thứ ba... đó là sự hấp phụ đa phân tử. Lực hấp phụ là
ỗinh viên thực hiện:

30

Nguyễn văn Phúc


Trưòng Dại học Mỏ- Dịa chất

Dổ án tốt nghiệp

nhiều lớp phân tử chất khí. Từ những quan điểm này đã dẫn Brunauer, Emmett
và Teller thiết lập phương trình hấp phụ BET.

a. Các giả thuyết mà BET đã sử dụng
Trên bề mặt vật hấp phụ có một lượng xác định các trung tâm bằng nhau
về mặt năng lượng. Các trung tâm này có thể giữ các phân tử của chất bị hấp
phụ.
Để đơn giản BET đã bỏ qua các tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ
trong lớp thứ nhất và trong các lớp kế tiếp.
Hai giả thuyết này ứng với sự hấp phụ Langmuir trên bề mặt đồng nhất
không có tương tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ.
Mỗi phân tử của chất thứ nhất là trung tâm cho sự hấp phụ lóp thứ hai.
Mỗi phân tử lốp thứ hai là trung tâm cho sự hấp phụ lốp thứ 3 ...
Giả thiết cho rằng, mọi phân tử trong lớp hai và trong lớp xa hơn có
cùng tổng số trạng thái như khi ở trạng thái lỏng (thì khác xa so với trạng thái
của lớp thứ nhất ). Như vậy pha bị hấp phụ có thể xem như là sự chồng chất
của các chuỗi phân tử, bắt đầu bởi các phân tử của lốp thứ nhất, các chuỗi này
về năng lượng không tương tác với nhau.

b. Phương trình tính toán
Phương trình BET:

p

1

■“—— = ——

V ( P ° - P ) VM.C V .V .r
M

Trong đó:
• V - Thể tích khí bị hấp phụ ở áp suất p.
• Vm - Thể tích khí bị hấp phụ trong lớp đơn phân tử.
• p° - Áp suất hơi bão hoà của chất bị hấp phụ tại nhiệt độ khảo sát.
c = e(q'-q)/RT (2.7)
ổinh viên thực hiện:

31

Nguyễn văn Phúc


Trưòng Dại học Mỏ- Dịa chất

2.5.

Dổ án tốt nghiệp

CHẤT HẤP PHỤ[4, 5, 7, 8, 9]

Các chất hấp phụ rắn được chế tạo ở dạng phân tán cao, có bề mặt riêng
lớn. Cấu trúc bề mặt của chúng thường không đồng nhất, không hoàn chỉnh

như ở tinh thể lý tưởng, nhưng sự không hoàn chính đó lại là sự hoàn thiện cần
đạt được của một chất hấp phụ. Sự không hoàn chỉnh, sự lệch khỏi trạng thái lý
tưởng thể hiện ở bề mặt hoá lý. Trên bề mặt tinh thể bao giờ cũng có những
khe rãnh, những lỗ, hang hốc, trường lực khác nhau, chúng rất đa rạng. Bề mặt
chất hấp phụ rắn luôn lồi lõm. Chính những chỗ lồi lõm, những hang hốc, khe
nứt đã góp phần làm tăng bề mặt riêng của chất hấp phụ.
Các chất thường được sử dụng làm chất hấp phụ như. Than hoạt tính,
silicagel, nhôm hoạt tính, chất hấp phụ polyme, zeolit... Chúng có đặc điểm
chung là có cấu trúc xốp, có bề mặt riêng lớn, có khả năng hút lên bề mặt của
chúng một số chất. Trong nội dung đồ án này tôi xin giới thiệu về zeolit, chất
hấp phụ tiêu biểu được sử dụng trong phần tính toán.

2.5.1.

Zeolit

Zeolit là một loại aluminosilicat tinh thể có cấu trúc không gian ba
chiều với hệ thống mao quản đồng đều và trật tự. Do có khả năng phân tách
các phân tử có kích thước khác nhau mà zeolit còn được gọi là vật liệu rây
phân tử. Công thức tổng quát của zeolit có dạng như sau.
(M+)x.(Aio2)x.(Sio2)Y.zH2o
Trong đó.
•

M: Cation bù trừ điện tích khung.

•

Z: Số phân tử nước tinh khiết có trong zeolit.

Đơn vị cấu trúc của các zeolit là các tứ diện Jơ 4, với J có thể là AI hoặc Si.
Zeolit có cấu trúc tinh thể, sự khác nhau trong mạng tinh thể của các zeolit là
do điều kiện tổng hợp, thành phần nguyên liệu, sự trao đổi các cation kim loại
thay thế tại các nút mạng tạo nên. Theo Naccache thì việc tạo thành khung cấu
trúc zeolit là do mối liên kết -Si-O-Si- hoặc -Si-O-Al- tạo ra. Xung quanh mỗi
ỗinh viên thực hiện:
32
Nguyễn văn Phúc