Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC
BỘ MÔN HỮU CƠ - HOÁ DẦU

------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ SẤY KHÍ BẰNG OXIT NHÔM

Giáo viên hướng dẫn : PGS. TS. NGUYỄN THỊ MINH HIỀN
Sinh viên thực hiện : NGUYỄN ANH TUẤN
Lớp
: 02V - 01 - HOÁ DẦU

Hà Nội - 2005


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
TRONG ĐỒ ÁN
Um

: Vận tốc khối lƣợng khí

C

: Hằng số.

Dh

: Đƣờng kính trung bình hạt chất hấp phụ.

h

: Khối lƣợng riêng trung bình của  = Al2O3.

K

: Khối lƣợng riêng của khí ở điều kiện làm việc.

g

: Gia tốc rơi tự do.

P’r

: Áp suất rút gọn.

T’r

: Nhiệt độ rút gọn.

Z

: Hệ số chịu nén.

GH2O

: Khối lƣợng nƣớc tách từ khí trong chu kỳ hấp phụ.

n

: Số chu kỳ.

1, 2

: Lƣợng ẩm trƣớc và sau khí sấy.



: Năng suất khí cần sấy.

D

: Đƣờng kính tháp hấp phụ.

vP

: Vận tốc tuyến tính.

DP

: Đƣờng kính trung bình của hạt  - Al2O3.

g

: Khối lƣợng riêng của khí.



: Thời gian của chu kỳ.

q

: Tải trọng riêng.

lvh

: Chiều dài vùng hấp phụ.

ad

: Dung lƣợng ẩm cân bằng động.
1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

l1

: Chiều cao cần thiết của lớp hấp phụ động.

P

: Tổn thất khi khí chuyển động qua lớp hạt chất hấp phụ.

f

: Hệ số ma sát.

dp

: Đƣờng kính tƣơng đƣơng của hạt.



: Độ rỗng của hạt.

’

: Độ ẩm bão hoa của khí.

Re

: Chuẩn số Reynolds .



: Độ nhớt của cấu tử.

G1

: Khối lƣợng chất hấp phụ.

T4

: Nhiệt độ tái sinh.

T1

: Nhiệt độ quá trình hấp phụ.

Q1

: Nhiệt cần thiết để đun  - Al2O3.

G2

: Khối lƣợng thiết bị và phụ tùng trực tiếp nối với các ống thiết bị.

C2

: Nhiệt dung riêng của vật liệu kết cấu chế tạo thiết bị.

Ht

: Chiều cao của tháp.

Q2

: Nhiệt cần thiết để đun nóng thiết bị.

t

: Khối lƣợng riêng của thép.

Q3

: Nhiệt cần để đung nóng nƣớc đến nhiệt độ sôi.

T2

: Nhiệt độ sôi của nƣớc.

C1

: Nhiệt dung riêng của nƣớc.

qH2O

: Nhiệt bay hơi nƣớc.

Q4

: Nhiệt cần để bay hơi nƣớc

Q5

: Nhiệt cần để bay hơi các hydrocacbon đƣợc hấp phụ trong quá
trình hấp phụ.

2

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

Q

: Tổng nhiệt lƣợng cần cung cấp cho quá trình tái sinh.

Qm

: Lƣợng nhiệt mất mát ra môi trƣờng.

(Qr )H2O : Lƣợng nhiệt riêng cần để giải hấp một đơn vị khối lƣợng nƣớc hấp
phụ.
GK

: Khối lƣợng khí đem tái sinh.

Ck

: Nhiệt dung riêng trung bình của hỗn hợp khí.

Vts

: Thể tích khí tái sinh.

 - Al2O3 : Gama oxit nhôm
BET : Thuyết hấp phụ Brunaner - Emmelt - Teller.
DEG : Dietylen Glycol
MEA : Mono Etanol Amin

TEG : Tri Etylen Glycol
LNG : Lique fied Nature Gases
LPG : Lique fied Petroleum Gases.

3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

MỞ ĐẦU
Khí tự nhiên và khí đồng hành là những nguyên liệu rất có giá trị để
sản xuất nguyên liệu cho tổng hợp hữu cơ hoá dầu cũng nhƣ dùng để sản
xuất nhiên liệu phục vụ cho nhu cầu dân dụng, công nghiệp, giao thông vận
tải (nhƣ LNG, LPG)..
Khí tự nhiên và khí đồng hành khai thác từ lòng đất thƣờng bão hoà
hơi nƣớc và hàm lƣợng hơi nƣớc phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, thành phần
hoá học của khí. Ngoài các cấu tử chính là các hydrocacbon parafin chúng
còn chứa các tạp chất nhƣ bụi, hơi nƣớc, khí trơ, CO2, H2S và các hợp chất
hữu cơ chứa S nên trƣớc khi đƣa vào chế biến khí cần phải qua công đoạn
chuẩn bị mà trong đó qúa trình tách hơi nƣớc là rất quan trọng.
Do hơi nƣớc trong khí tự nhiên và khí đồng hành có thể bị ngƣng tụ
trong các hệ thống công nghệ xử lý khí sau này, kết quả sẽ tạo các điều kiện
hình thành các hydrat (các chất 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
thƣờng đối với các dây chuyền khai thác, vận chuyển và chế biến khí. Ngoài
ra sự có mặt của hơi nƣớc và các hợp chất chứa lƣu huỳnh sẽ làm tiền đề
thúc đẩy sự ăn mòn kim loại, làm giảm tuổi thọ và thời gian sử dụng của các
thiết bị, công trình vậy nên nghiên cứu về công nghệ sấy khí nhằm làm giảm

hơi nƣớc đồng thời ngăn ngừa sự tạo thành hydrat trong khí tự nhiên và khí
đồng hành là rất cần thiết.
Trong công nghiệp có rất nhiều phƣơng pháp đƣợc dùng để hạ nhiệt
độ điểm sƣơng và sấy khô khí tự nhiên cũng nhƣ khí đồng hành. Với đề tài
“Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm” em lựa chọn
phƣơng pháp sấy hấp phụ với chất hấp phụ là  - Al2O3 vì -Al2O3 có cấu

4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

trúc xốp, bề mặt riêng lớn, có các tâm axit, dễ tạo viên, độ bền cơ, bền nhiệt,
chịu đƣợc nƣớc.
Với yêu cầu là sấy khí đồng hành của mỏ Bạch Hổ thì phƣơng pháp
này có thể đạt đƣợc điểm sƣơng thấp, điểm sƣơng của khí sau khi sấy bằng
-Al2O3 có thể đạt tới -730C (hay -1000F) và độ giải ẩm cao trong khoảng
rộng của các thông số kỹ thuật bên cạnh đó quá trình còn thuận tiện, kính tế
và công nghệ dễ vận hành.
Đề tài này đƣợc chia làm hai phần:
Phần I: Tổng quan. Phần này trình cơ sở hoá lí và công nghệ sấy khí
từ đó lựa chọn chất hấp phụ và công nghệ phù hợp.
Phần II: Tính toán thiết kế công nghệ. Trong phần này bao gồm việc
tính toán cân bằng vật liệu, cân bằng năng lƣợng và tính toán
thiết kế thiết bị chính.
Em xin chân thành cảm ơn cô giáo PGS. TS. Nguyễn Thị Minh Hiền,
Bộ môn Công nghệ Hữu cơ Hoá dầu Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã
tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ để đồ án này của em có thể hoàn thành đúng thời

hạn.

5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

PHẦN I
TỔNG QUAN

6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

CHƢƠNG I: CƠ SỞ HOÁ LÍ CỦA CÔNG NGHỆ SẤY KHÍ
I.1. THÀNH PHẦN, ĐẶC TÍNH CỦA KHÍ TỰ NHIÊN VÀ KHÍ ĐỒNG HÀNH.

Khí tự nhiên và khí đồng hành bao gồm các hợp chất hydrocacbon và
phi hydrocacbon. Những cấu tử cơ bản của khí tự nhiên và khí đồng hành là
các hydrocacbon no, đó là các parafin thuộc dãy đồng đẳng của metan.
Khí tự nhiên đƣợc khai thác từ các mỏ khí riêng biệt, trong khí này
thành phần chủ yếu là khí metan (CH4) có thể chiếm 85  99%. Còn lại là
các khí khác nhƣ etan ( C2H6), propan (C3H8) và rất ít butan (C4H10), cá biệt
có thể có mỏ chứa CO2 tới 60% …
Khí đồng hành là khí nằm lẫn trong dầu mỏ, đƣợc hình thành cùng với

dầu, ta nhận đƣợc khi khai thác và chế biến dầu mỏ. Thành phần chủ yếu của
khí đồng hành là khí metan có thể chiếm từ 73  77%, còn lại là các khí
nặng nhƣ propan, butan, pentan…
Ngoài thành phần chính là hydrocacbon, trong khí tựt nhiên và khí đồng
hành còn chứa các hợp chất phi hydrocacbon khác nhƣ CO2, N2, H2S, H2, He…
Số lƣợng và hàm lƣợng các cấu tử thay đổi trong những khoảng rộng.
Bảng I.1. Thành phần hoá học trung bình của khí tự nhiên và khí đồng
hành ở Việt Nam (% theo thể tích).
Các cấu
tử
CH4
C2H6
C3H8
C4H10
C5H12
N2
CO2

Khí đồng hành
Bạch Hổ Đại Hùng
Rồng
76,82
77,45
76,54
11,87
9,49
6,89
5,98
3,38
8,25

1,04
1,34
0,78
0,32
0,48
0,50
0,50
4,05
1,00
-

Khí tự nhiên
Lan Tây
Tiền Hải
88,5
87,6
4,3
3,1
2,4
1,2
0,6
1,0
1,4
0,8
0,3
3,3
1,9
3,0

7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

H2S

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

-

-

-

10,0

-

I.2. CÁC TÍNH CHẤT CỦA KHÍ TỰ NHIÊN VÀ KHÍ ĐỒNG HÀNH.

I.2.1. Phƣơng trình trạng thái của các hydrocacbon.
Các tính chất vật lí của khí tự nhiên và khí đồng hành phụ thuộc vào
các thông số của hỗn hợp và thành phần hoá học của nó.
Để xác định tính chất nhiệt động của các chất và hỗn hợp của chúng
cũng nhƣ entanpi, entropi, tỷ trọng, fugat; ngƣời ta sử dụng phƣơng trình
trạng thái xác định quan hệ giữa nhiệt độ, áp suất và thể tích của hệ.
Tính chất nhiệt độ của khí tự nhiên, khí đồng hành và các cấu tử của
chúng rất khác với tính chất của khí lý tƣởng, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp và
áp suất cao. Vì vậy không thể sử dụng phƣơng trình trạng thái khí lý tƣởng
để xác định các tính chất của chúng mà ta phải dùng các phƣơng pháp trạng

thái mô tả hệ khí thực nhƣ:
- Phƣơng trình Vander Waals
- Phƣơng trình Benedict - Webb - Rubin (BWR).
- Phƣơng trình Redlich - Kwong (RK).
- Phƣơng trình Peng - Robinson (PR).
I.2.2. Cân bằng pha của hệ các hydrocacbon.
Hằng số cần bằng K là đại lƣợng đặc trƣng cho sự phân bố của các cấu
tử giữa các pha ở điều kiện cân bằng và nó đƣợc xác định bằng phƣơng trình.
Ki = yi/xi

(I.1)

Trong đó:
yi - phần mol của cấu tử i trong pha hơi;
xi - phần mol của cấu tử i trong pha lỏng.
8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

Với hệ khí lý tƣởng, K đƣợc xác định theo phƣơng trình sau:
Ki = Pi/P

(I.2)

Trong đó:
Pi - áp suất hơi bão hoà của cấu tử i ở nhiệt độ T của hệ.
P - áp suất chung toàn hệ ở nhiệt độ T.

Với hệ khí thực, K đƣợc xác định bằng phƣơng pháp giải tích và
phƣơng pháp giản đồ.
Tuy nhiên, điều kiện cân bằng pha cơ bản của hệ là nhiệt độ, áp suất
và thế hoá học của mỗi cấu tử phải bằng nhau ở pha khí và pha lỏng.
I.3. TÍNH CHẤT CỦA HỆ HYDROCACBON VÀ NƢỚC.

I.3.1. Hàm ẩm của khí.
Khí tự nhiên và khí đồng hành khai thác từ các mỏ dƣới lòng đất luôn
bão hoà hơi nƣớc. Hàm lƣợng hơi nƣớc có trong hỗn hợp khí phụ thuộc vào
áp suất, nhiệt độ và thành phần khí. Tại mỗi giá trị áp suất và nhiệt độ có thể
xác định đƣợc hàm lƣợng ẩm tối đa của khí. Hàm lƣợng ẩm cân bằng hay
còn gọi là độ ẩm cân bằng.
Khi biểu diễn hàm lƣợng hơi nƣớc có trong khí, ngƣời ta sử dụng hai
khái niệm: độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tƣơng đối. Độ ẩm tuyệt đối là lƣợng hơi
nƣớc có trong một đơn vị thể tích hoặc một đơn vị khối lƣợng khí (đƣợc biểu
diễn bằng g/m3 khí hoặc g/kg khí). Độ ẩm tƣơng đối là tỷ số giữa khối lƣợng
hơi nƣớc có trong khí và khối lƣợng hơi nƣớc tối đa có thể có trong khí ở
điều kiện bão hoà (đƣợc biểu diễn theo phần trăm hoặc phần đơn vị).
Nếu giảm nhiệt độ khí bão hoà hơi nƣớc còn áp suất không đổi thì một
phần hơi nƣớc bị ngƣng tụ. Nhiệt độ tại đó hơi nƣớc có trong khí bắt đầu
ngƣng tụ đƣợc gọi là điểm sƣơng của khí ẩm tại áp suất đã cho.

9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

Hàm ẩm của khí phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và thành phần hỗn

hợp khí. Hiện nay có rất nhiều phƣơng pháp xác định hàm ẩm của khí, mà
phổ biến hơn cả là các phƣơng pháp sau đây:
- Sử dụng quan hệ giữa áp suất riêng phần và thành phần lỏng hơi.
- Sử dụng các đƣờng cong thực nghiệm phụ thuộc của hàm ẩm vào
nhiệt độ và áp suất.
- Hiệu chỉnh các đƣờng cong trên khi có mặt của CO2, H2S, N2.
- Sử dụng phƣơng trình trạng thái P - V - T.
I.3.2. Ảnh hƣởng của nitơ và các hydrocacbon nặng đến hàm ẩm của khí.
Nhƣ ta biết, nitơ giữ nƣớc kém hơn metan. ë áp suất 7,0 MPa, hàm ẩm
của nitơ nhỏ hơn hàm ẩm của metan 6  9%. Chênh lệch này sẽ tăng khi áp
suất tăng.
Ngƣợc lại, sự có mặt của các hydrocacbon nặng lại làm tăng hàm ẩm
của khí và sự chênh lệch này cũng phụ thuộc vào áp suất của hệ, ở áp suất
tiêu chuẩn sự chênh lệch này là nhỏ. Ảnh hƣởng của nitơ và các
hydrocacbon nặng là nhƣ nhau trong nhiều hỗn hợp khí.
I.3.3. Hàm ẩm cân bằng của hydrat.
Trên hình (H.1) và hình (H.2) biểu diễn các đƣờng cong phụ thuộc của
nhiệt độ điểm sƣơng vào hàm ẩm ở các áp suất khác nhau của hệ dựa trên cơ
sở coi nƣớc ngƣng tụ là pha lỏng. Tuy nhiên ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tạo
hydrat của khí, pha "ngƣng tụ" không phải là pha lỏng mà là pha rắn đƣợc
gọi là hydrat.
Trạng thái chuyển tiếp từ lỏng thành hydrat gọi là trạng thái lỏng chƣa
ổn định "metastable". Đƣờng hàm ẩm cân bằng của khí - hydrat sẽ nằm phía
dƣới đƣờng cân bằng khí - metastable (hình H.3).

10


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

Hình H.2: Hàm lƣợng ẩm của khí tự nhiên khô ngọt

12


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

Trên hình (H.3) biểu diễn hàm ẩm của hỗn hợp khí chứa 94,69%CH4
và 5,31% C3H8. Sự hình thành hydrat phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Thành
phần hỗn hợp khí, sự có mặt của các chất tạo mầm, nhiệt độ, áp suất, mức độ
khuấy trộn…

Do hàm ẩm của khí phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hỗn hợp khí,
các số liệu đƣa ra trên hình (H.3) chỉ là minh hoạ nên không thể ngoại suy
cho các hỗn hợp khí có thành phần khác.

13

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

I.3.4. Sự tạo thành hydrat.
I.3.4.1. Cấu trúc tinh thể hydrat.
Nƣớc có trong hỗn hợp khí luôn luôn tạo thành hydrat với các cấu tử
có trong thành phần hỗn hợp khí. Các hydrat này có cấu trúc tinh thể và về
bản chất là các dung dịch rắn, còn dung môi là các phần tử nƣớc liên kết với
nhau bằng liên kết hydro. Các phần tử hydro cacbon nhẹ (metan, etan,
propan, butan) thâm nhập vào mạng lƣới này tạo thành mạng tinh thể hydrat
bền vững.
Về cấu trúc các tinh thể hydrat có hai loại ô mạng cơ sở đƣợc mô tả ở
hình (H.4).

Hình H.4: Ô mạng cơ sở của tinh thể hydrat
Các chấm tròn chỉ các phân tử nƣớc, các đoạn thẳng chỉ liên kết hydro.
Bằng phƣơng pháp nhiễu xạ Rơnghen đã cho thấy cấu trúc tinh thể hydrat có
dạng 12 mặt, mỗi mặt là hình 5 cạnh. Cấu trúc này có thể biến đổi thành các

14


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

dạng 14 mặt (14-hedron nhƣ hình vẽ mô tả cấu trúc I) và 16 mặt (16-hedron
nhƣ hình vẽ mô tả cấu trúc II).
Dạng cấu trúc I có hằng số mạnh là 12A0, chứa 46 phần tử nƣớc sắp

xếp hình thành 8 lỗ trống, trong đó có 2 lỗ trống ở dạng 12 mặt, 6 lỗ trống
còn lại có dạng 14 mặt. Các phần tử metan có thể chui vào bất kỳ lỗ trống
nào, trong khi các phần tử etan chỉ có thể chui vào các lỗ trống lớn. Nhƣng
cũng có một vài ô mạng không bị các phân tử hydro cacbon có cấu trúc phân
tử cồng kềnh hơn nhƣ propan và butan không thể chui vào các lỗ trống thuộc
loại cấu trúc I này.
Dạng ô mạng tinh thể cấu trúc II, 16 mặt và có hằng số mạng là
17A0. Ô mạng cơ sở chứa 136 phân tử nƣớc với cấu trúc trục chứa 16 lỗ
tống nhỏ dạng 12 mặt và 8 lỗ trống lớn dạng 12 mặt (có 4 mặt 6 cạnh và
12 mặt 5 cạnh). Dạng cấu trúc này có thể bẫy đƣợc các phân tử lớn nhƣ
propan, n-butan, izo-butan.
Ngoài yếu tố kích thƣớc phân tử, yếu tố thứ hai có ảnh hƣởng đến sự
hình thành hydrat là tính hoà tan trong nƣớc của các hydro cacbon. Sự có
mặt của các tạp chất nhƣ H2S, CO2, N2 có ảnh hƣởng đáng kể đến sự tạo
thành hydrat.
Sự tạo thành hydrat còn phụ thuộc các dạng năng lƣợng nhƣ lực hút,
lực đẩy, lực quay, lực liên kết ở trạng thái cân bằng. Khi một tinh thể hydrat
đƣợc hình thành thì cấu trúc liên kết hydro sẽ không bị phá vỡ cho đến khi
mất cân bằng lực liên kết hydro bị giảm đi và liên kết đó bị bẻ gãy.
Ngƣời ta đã xác định đƣợc một số tinh thể hydrat điển hình: CH4.
5,9H2O; C2H6. 8,2H2O; H2S . 6,1 H2O; CO2 . 6 H2O ; N2. 6 H2O; C3H8 . 17
H2O; izo - C4H10. 17 H2O; n-C4H10 có thể tạo hydrat nhƣng không bền và dễ
bị phân huỷ. Tất cả các parafin lớn hơn butan không tạo thành hydrat.

15


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

Hỗn hợp khí tự nhiên dễ tạo thành hydrat hơn các cấu tử tinh khiết vì
có khả năng bị bẫy trong cả ba dạng lỗ trống kể trên do đó mạng lƣới tinh thể
hydrat ổn định hơn. Nhƣ vậy, hỗn hợp các phân tử có kích thƣớc khác nhau
thuận lợi cho sự hình thành hydrat.
Các tinh thể hydrat riêng biệt tạo thành trong nƣớc ở trạng thái lỏng.
Chỉ trong điều kiện pha lỏng mới có đủ nồng độ và mức năng lƣợng cần thiết
để tạo thành liên kết hydro. Những tinh thể hydrat này rất nhỏ nhƣng chúng
có thể phát triển lên thành những tinh thể lớn hơn.
I.3.4.2. Cân bằng quá trình tạo hydrat.
Trên hình (H.5) là các đƣờng cong đặc trƣng của quá trình tạo hydrat
của các cấu tử khí tự nhiên, nó cho biết điều kiện hình thành tạo hydrat.
Miền phía dƣới và bên phải các đƣờng này không tạo thành các hydrat. Ở giá
trị nhiệt độ nào đấy đƣờng cân bằng trở thành thẳng đứng, giá trị nhiệt độ có
đƣợc gọi là nhiệt độ cực đại của quá trình tạo hydrat của các cấu tử đó.
Trên hình (H.6) ta xét điều kiện tạo hydrat của propan ở T0 < 00C
(320F): tồn tại cả hai dạng nƣớc đá và hydrat ở phía trên đƣờng cong cân
bằng, còn ở phía dƣới đƣờng cong chỉ có nƣớc đá và hơi.
Ở T0 > 00C (320F): hydrat ở pha rắn, chỉ có bên trái đƣờng cân bằng
tạo hydrat. Nhiệt độ tại ranh giới giữa hai miền là nhiệt độ cực đại tạo hydrat
của cấu tử tinh khiết (propan).
I.3.4.3. Nhận xét.
Do hơi nƣớc trong khí tự nhiên và khí đồng hành có thể tạo các hydrat,
cản trở quá trình vận hành của các thiết bị trong quá trình chế biến khí ( nhƣ
bơm, quạt, máy nén…) . Để hạn chế tác hại của hiện tƣợng này khí cần đƣợc
dehydrat bằng cách hạ nhiệt độ điểm sƣơng của hỗn hợp khí hoặc dùng các
phƣơng pháp hấp thụ và hấp phụ để sấy khô khí.
16

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

Hình H.5: Điều kiện tạo hydrat của các cấu tử trong khí tự nhiên

17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

Hình H.6: Điều kiện tạo hydrat của propan
I.4. QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ.

I.4.1. Khái niệm chung về hấp phụ
Quá trình hấp phụ là quá trình hút khí hay hơi, hay chất lỏng bằng một
bề mặt rắn xốp vật chất sẽ chuyền từ pha khí hay hơi sang pha rắn. Chất bị
hút gọi là chất bị hấp phụ, chất rắn xốp gọi là chất hấp phụ.
Trong hấp phụ ngƣời ta lại phân chia ra các quá trình nhƣ hấp phụ trao
đổi ion, hấp phụ hoá học và hấp phụ vật lí.
Hấp phụ trao đổi ion: là hấp phụ có cực có kèm theo sự trao đổi ion
giữa chất hấp phụ và dung dịch.
Hấp phụ hoá học: là quá trình hấp phụ có kèm theo phản ứng hoá học
giữa các chất bị hấp phụ và chất hấp phụ.
Hấp phụ vật lí: là quá trình hấp phụ không kèm theo phản ứng hoá học.
Trong hấp phụ vật lí thì lực hấp phụ là lực Vander Waals và nó là một quá
trình thuận nghịch hoàn toàn.
Trong thực tế, các loại hấp phụ có thể xảy ra đồng thời và tuỳ theo

điều kiện thực hiện quá trình mà hấp phụ loại này có thể chiếm ƣu thế hơn
loại kia.
I.4.2. Chất hấp phụ.
I.4.2.1. Đặc chưng của chất hấp phụ.
Chất hấp phụ là những chất vật liệu rắn dạng hạt có cấu trúc xốp và
diện tích bề mặt riêng lớn.
Đặc trƣng cơ bản của chất hấp phụ là hoạt độ (hoạt độ tĩnh và hoạt độ
động). Chất hấp phụ đƣợc chia làm ba loại:
Loại I: Chất hấp phụ có mao quản rất nhỏ, kích thƣớc của mao quản
có thể gần bằng kích thƣớc phân tử của chất bị hấp phụ (microposity) nhƣ

18


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

các zeolit, than hoạt tính, vật liệu khoáng sét và nhiều chất ma xúc tác…
đƣờng kính mao quản là d < 2nm.
Loại II: Chất hấp phụ có mao quản trung bình (mesoporosity) có
đƣờng kính mao quản trong khoảng 2nm < d < 50nm.
Loại III: Chất hấp phụ có mao quản lớn (macroposity) đƣờng kính
mao quản là d > 50nm
Trong công nghiệp sấy khí ngƣời tta thƣờng dùng các chất hấp phụ là
than hoạt tính, Silicagen, oxyt nhôm, zeolit. Các đại lƣợng đặc trƣng của
chúng (Xem ở bảng I.2).
Bảng I.2. Các đại lượng đặc trưng của các chất hấp phụ.
Oxit
Đại lƣợng đặc trƣng

Silicagel

nhôm
hoạt tính

Boxit

Zeolit 4A

hoạt tính

và 5A

Khối lƣợng riêng, g/cm3
- Khối lƣợng riêng thực

2,12,2

3,25

3,4

-

0,610,72

0,80,86

0,80,83

0,690,72

- Khối lƣợng riêng biểu kiến

1,2

1,6

1,62,0

1,1

Nhiệt dung, Kcal/kg.độ

0,22

0,24

0,24

0,2

4,57

7,0

46

Thay đổi

121232

177315

>177

150350

79

47

46

912

- Khối lƣợng riêng đổ

Hàm lƣợng nƣớc, % trọng
lƣợng
Nhiệt độ tái sinh, 0C
Khả năng hấp phụ hơi nƣớc,
kg nƣớc/ 100kg chất hấp phụ

I.4.2.2. Ôxit nhôm và  - Al2O3
a. Ôxit nhôm.

19

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

Ôxit nhôm đƣợc điều chế bằng cách đem nung hydroxit nhôm, tuỳ thuộc
vào nhiệt độ tiến hành mà ta có các dạng oxit nhôm khác nhau. (Sơ đồ I).
Al2O3 tồn tại dƣới một số dạng thù hình tinh thể bền nhất là các dạng
() hình thoi và dạng () hình lập phƣơng.  - Al2O3 có trong tự nhiên dƣới
dạng khoáng vật corunđum, hồng ngọc, ngọc bích.  - Al2O3 tạo thành khi
nung nóng hydroxit nhôm ở 5500C.
Gibbsit

250 0C

1200 0C
900 0C
 - a l2o 3
 - a l2o 3

 - a l2o 3

200 0C
Bemit

450 0C

 - a l2o 3

180 0C

Bayerit
450 0C  a l o 450 0C  - a l o 1200 0C
- 2 3
2 3

 - a l2o 3

Norrdstrandit
Diaspor

500 0C

 - a l2o 3

Sơ đồ I: Sự phân huỷ nhiệt của hydroxit nhôm

Dựa vào cấu trúc ta có thể phân loại Al2O3 nhƣ sau:
Nhóm  có cấu trúc mạng lƣới diện bó chặt.
Nhóm  có cấu trúc mạng lƣới bát diện bó chặt luân phiên.
Nhóm  có cấu trúc mạng khối bó chặt.
Oxit nhôm đƣợc dùng làm chất hấp phụ để hạ nhiệt độ điểm sƣơng và
làm giảm hàm lƣợng ẩm có trong khí tự nhiên và khí đồng hành do nó có cấu
trúc xốp, diện tích bề mặt riêng lớn, có các tâm axit chịu đƣợc nƣớc… (Bảng
I.3).
20


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

21


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

Bảng I.3. Tính chất vật lí của oxit nhôm hoạt tính.
thƣớc Độ xốp bên Độ xốp Khối lƣợng Đƣờng

Chất hấp phụ và Hình

Kích

ứng dụng của nó

hạt; mm

dạng

của của lớp riêng xốp x' kính mao bề

trong

hạt

Diện tích Khả năng hấp

hạt x, %

, %

kg/m3

quản A0

mặt phụ, g/g chất

hấp

phụ hấp phụ khó

m2/g
1. Nhôm oxit hoạt

H

62,4

-

-

875

-

210

0,14 (2)

tính dùng để sấy

H

0,850,25

-

-

750

-

310

-

khí và chất lỏng,

H

Hạt khác nhau

25

49

795

34

250

0,14 (2)

làm chất mang

T

4,6

-

40

690

-

310

-

xúc tác, trung hoà

V

25x16

60

-

13610

-

0,5

0,14 (2)

dầu bôi trơn, chất

C

4,752,4

40

39

835

2080

350

-

C

62,4

-

45

720

64

360

0,20 (2)

C

0,10,04

-

35

770

-

400; 310

-

C

63,4

-

-

880

-

350

0,2 (2)

xúc tác

Chú thích: H - dạng hạt;

T - dạng hình trụ;

V - dạng viên dẹt ;

C - dạng hình cầu ;

(2) Theo nƣớc, độ ẩm tƣơng đối 100%.
22


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

23


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SV: NGUYỄN ANH TUẤN

Tính chất hoá học bề mặt oxit nhôm liên quan trực tiếp đến tính hấp
phụ và tính xúc tác của nó. Do phụ thuộc vào nhiệt độ, oxit nhôm có thể hấp
phụ nƣớc ở dạng ion OH- hoặc phân tử nƣớc. Khi tiếp xúc với nƣớc ở nhiệt
độ thƣờng, oxit nhôm hấp phụ nƣớc ở dạng phân tử không phân ly.
b. Ôxit nhôm dạng  - Al2O3.
Dạng  - Al2O3 không tìm thấy trong tự nhiên mà nó đƣợc tạo thành
khi nung Gibbsit, Bemit ở nhiệt độ, 450  6000C.
Khối lƣợng riêng của  - Al2O3 là 3,2  3,77 g/cm3.
Hệ số khuếch tán của tinh thể  - Al2O3 .
n0 = 1,73

;

Ng = 1,69

; Np = 1,69

Thông số ô mạng cơ sở của  - Al2O3 .
a = 7,70  7,96 A0

;

C = 7,82  7,92 A0.

Ngoài ra trên bề mặt của  -Al2O3 tồn tại hai loại tâm axit, tâm axit
Lewis có khả năng tiếp nhận điện tử từ phân tử chất hấp phụ, còn tâm axit
Bronsted có khả năng nhƣờng proton cho phân tử chất hấp phụ.
Do  - Al2O3 có bề mặt riêng, thể tích lỗ xốp và hình dáng kích
thƣớc mao quản lớn nên nó có khả năng hấp phụ hơi nƣớc trong khí tự
nhiên và khí đồng hành tốt hơn các oxit nhôm dạng  - Al2O3 và  Al2O3 . Khi dùng  - Al2O3 điểm sƣơng của khí sau khi sấy có thể đạt tới - 730C
(-1000F). Chính vì vậy mà em chọn  - Al2O3 làm chất hấp phụ cho đề tài này.

24