LÀ M KHÔ KHÍ – Tính toán

AN TOÀN
QUÁĐẠI
TRÌNH
(PROCESS
TRƯỜNG
HỌC BÁCH
KHOA SAFETY)
TP. HCM

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN KHÍ
Chương IV: LÀ M KHÔ KHÍ – Tính toán
TS. Hồ Quang Như

CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

0

AN lượng
TOÀNẩm
QUÁ
SAFETY)
1. Hàm
cân TRÌNH
bằng của(PROCESS
khíthiên nhiên
 Các điểm cần lưu ý
 Hàm lượng ẩm trong khíthiên nhiên cần phải được tính toán,
dự đoán để qua đó xây dựng được phương án làm khô khí
tối ưu.

 Hàm lượng ẩm cân bằng trong khí ngọt phụ thuộc vào P, T,
và tỉ khối khí);
 T = const, tăng P: hàm lượng ẩm cân bằng giảm;
 P = const, tăng T: hàm lượng ẩm cân bằng tăng;
 Tỉ khối khítăng: hàm ẩm cân bằng giảm;
 Nếu trong nước có muối, hàm lượng muối tăng: hàm lượng
ẩm cân bằng giảm
CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

1

1


AN lượng
TOÀNẩm
QUÁ
SAFETY)
1. Hàm
cân TRÌNH
bằng của(PROCESS
khíthiên nhiên
(tt)
 Khi có H2S, CO2 thìhàm lượng ẩm cân bằng của khítăng;
 Cần phải hiệu chỉnh hàm lượng ẩm cân bằng khi nồng độ
H2S và/hoặc CO2 trong dòng khílớn hơn 5%;
 Khi có N2 thìhàm lượng ẩm cân bằng của khígiảm.

CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

2

ANđịnh
TOÀN
SAFETY)
2. Xác
hàmQUÁ
lượngTRÌNH
ẩm cân (PROCESS
bằng của KTN
 Các phương pháp xác định hàm lượng ẩm cân bằng

 Sử dụng dụng cụ đo - ẩm độ kế
 Phương pháp tính toán, dự đoán
 Xác định từ đồ thị:
+ Giản đồ McKetta và Wehe (1958): khí ngọt
+ Giản đồ Campbell: khí chua
 Dùng công thức thực nghiệm.

CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

3

2


ANđịnh
TOÀN
SAFETY)
2. Xác

hàmQUÁ
lượngTRÌNH
ẩm cân (PROCESS
bằng của KTN
ngọt
 Lưu ý:
 Đơn vị của hàm lượng ẩm cân bằng: [mg/Sm3]; [lb/MMscf]
 Sm3 : mét khối chuẩn; đo tại điều kiện chuẩn ISO 2533
101.35 kPa; 15oC
 MMscf : triệu feet khối chuẩn, đo tại 14.7 psi (101.35kPa);
60 oF (15.56 oC

CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

4

ANđịnh
TOÀN
SAFETY)
3. Xác
hàmQUÁ
lượngTRÌNH
ẩm cân (PROCESS
bằng của KTN
ngọt (tt)
 Hàm lượng ẩm cân bằng W của KTN ngọt tính theo công
thức (5-1) như sau:

W  WoCG Cs

(5-1)

Trong đó:
 Wo là hàm lượng ẩm cân bằng của KTN ngọt có  =
0,6, được tra từ Hình 5-1;
 CG là hệ số hiệu chỉnh cho tỉ khối khí, được tra từ
Hình 5-1a;
 Cs là hệ số hiệu chỉnh cho hàm lượng muối, được tra
từ Hình 5-1b;
CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

5

3


ANđịnh
TOÀN
SAFETY)
3. Xác
hàmQUÁ
lượngTRÌNH
ẩm cân (PROCESS
bằng của KTN
ngọt (tt)
 Lưu ý:
 Hàm lượng ẩm cân bằng Wo của KTN ngọt với  = 0,6 có thể
được định bằng công thức thực nghiệm sau:

Wo (g/m 3 ) 

A
B
P(atm)

(5-1*)

Trong đó:
 A, B là các hệ số tra từ Bảng 5-1;
 P là áp suất tuyệt đối (atm)

CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

6

ANđịnh
TOÀN
SAFETY)
3. Xác
hàmQUÁ
lượngTRÌNH
ẩm cân (PROCESS
bằng của KTN
ngọt (tt)
Bảng 5-1 Bảng tra các hệ số A và B
trong phương trình (5-1*)

Wo (g/m 3 ) 

CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

A
B
P(atm)

7

4


ANđịnh
TOÀN
SAFETY)
3. Xác
hàmQUÁ
lượngTRÌNH
ẩm cân (PROCESS
bằng của KTN
ngọt (tt)
 Quy trình tiến hành
1. Chắc chắn rằng hỗn hợp khí TN là ngọt, có hàm lượng H2S
và/hoặc CO2 trong dòng khínhỏ hơn 5%;
2. Xác định KLPT của hỗn hợp khínếu biết thành phần khí;
3. Xác định tỉ khối khítừ KLPT tìm được / đề bài cho biết tỉ khối;
4. Xác định hàm lượng ẩm cân bằng Wo bằng cách tra giản đồ
Hình 5-1 hoặc có thể sử dụng công thức (5-1*);
5. Với giá trị  tính được, tra Hình 5-1a để xác định hệ số CG ;
6. Nếu biết hàm lượng muối có trong nước, tra Hình 5-1b để
xác định hệ số Cs;
7. Tính hàm lượng ẩm cân bằng theo công thức (5-1)

CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

8

Hàm lượng ẩm cân bằng, mg/Sm3 ở 15°C và 101,325 kPa

ANđịnh
TOÀN
SAFETY)
3. Xác
hàmQUÁ
lượngTRÌNH
ẩm cân (PROCESS
bằng của KTN
ngọt (tt)

Nhiệt đô (°C)

Hình 5-1 Giản đồ McKetta và Wehe
CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

9

5


AN TOÀN QUÁ TRÌNH (PROCESS SAFETY)

CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

10

ANđịnh
TOÀN
SAFETY)
3. Xác
hàmQUÁ
lượngTRÌNH
ẩm cân (PROCESS
bằng của KTN
ngọt (tt)

Hệ số hiệu chỉnh CG

Khối lượng phân tử, Mw

Tỉ khối, 

Hình 5-1a Giản đồ xác định hệ số hiệu chỉnh cho tỉ khối - CG
CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

11

6


Hệ số hiệu chỉnh Cs

ANđịnh
TOÀN

SAFETY)
3. Xác
hàmQUÁ
lượngTRÌNH
ẩm cân (PROCESS
bằng của KTN
ngọt (tt)

Hàm lượng muối trong nước (%)

Hình 5-1b Giản đồ xác định hệ số hiệu chỉnh cho hàm lượng muối - Cs
CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

12

ANđịnh
TOÀN
SAFETY)
3. Xác
hàmQUÁ
lượngTRÌNH
ẩm cân (PROCESS
bằng của KTN
ngọt (tt)
 Ví dụ 5-1
Hãy xác định hàm lượng ẩm bão hoà cho hỗn hợp khí thiên
nhiên ngọt có tỉ khối  = 0.9 ở nhiệt độ T = 70oC và áp suất P =
6000 kPa.
 Đáp án 5-1
Đây là hỗn hợp khíthiên nhiên ngọt  hàm lượng ẩm cân bằng

được xác định từ giản đồ Hình 5-1.
- Từ Hình 5-1, với T = 70oC và áp suất P = 6000 kPa, tìm được:
Wo = 3520 mg/Sm3
- Do  = 0.9  Xác định hệ số hiệu chỉnh CG = 0,98

- Hàm lượng ẩm cân bằng : W = 0.98 * 3520 = 3270 mg/sm3
CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

13

7


ANđịnh
TOÀN
SAFETY)
4. Xác
hàmQUÁ
lượngTRÌNH
ẩm cân (PROCESS
bằng của KTN
chua (tt)
 Phương pháp 1
Hàm lượng ẩm cân bằng W của KTN chuacđược tính theo công
thức (5-1) như sau:

W = yHCWHC + yH2SWH2S + yCO2WCO2

(5-2)

Trong đó:
 WHC là hàm lượng ẩm cân bằng của KTN  Hình 5-1;
 WH2S là hàm lượng ẩm cân bằng của H2S  Hình 5-2;
 WCO2 hàm lượng ẩm cân bằng của CO2  Hình 5-3;
 yHC, yH2S và yCO2 là phần mol của HC, H2S và CO2 có
trong hỗn hợp khí.
CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

14

ANđịnh
TOÀN
SAFETY)
4. Xác
hàmQUÁ
lượngTRÌNH
ẩm cân (PROCESS
bằng của KTN
chua (tt)

Hàm lượng nước, mg H2O/Sm3

H2S

Nhiệt đô, °C

Hình 5-2 Hàm ẩm của H2S trong hỗn hợp KTN bão hoà hơi nước

CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

15

8


ANđịnh
TOÀN
SAFETY)
4. Xác
hàmQUÁ
lượngTRÌNH
ẩm cân (PROCESS
bằng của KTN
chua (tt)

Hàm lượng nước, mg H2O/Sm3

CO2

Nhiệt đô, °C

Hình 5-3 Hàm ẩm của CO2 trong hỗn hợp KTN bão hoà hơi nước.
CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

16

ANđịnh
TOÀN
SAFETY)
4. Xác

hàmQUÁ
lượngTRÌNH
ẩm cân (PROCESS
bằng của KTN
chua (tt)
 Phương pháp 2
 Sử dụng giản đồ Campbell (Hình 5-4a,b)
 Dùng hàm lượng H2S tương đương bằng cách qui đổi %CO2
sang %H2S theo công thức:
%H2S (qui đổi) = %H2S + 0,75*%CO2

(5-3)

 Áp suất lên đến 41000kPa;

CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

17

9


ANđịnh
TOÀN
SAFETY)
4. Xác
hàmQUÁ
lượngTRÌNH
ẩm cân (PROCESS
bằng của KTN

chua (tt)

Hình 5-4 Hàm lượng ẩm cân bằng tính toán cho hỗn hợp KTN
CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

18

ANđịnh
TOÀN
SAFETY)
4. Xác
hàmQUÁ
lượngTRÌNH
ẩm cân (PROCESS
bằng của KTN
chua (tt)
 Phương pháp 3
 Sử dụng nồng độ H2S tương đương bằng cách qui đổi %CO2
sang %H2S theo công thức:
%H2S (qui đổi) = %H2S + 0,75*%CO2

(5-3)

 Xác định tỉ số hàm lượng ẩm cân bằng của khíchua/ khíngọt
(r) bằng cách sử dụng giản đồ Hình 5-5
 Khi đó lượng nước trong khíchua được tính theo công thức:
W = r x WHC

CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

19

10


ANđịnh
TOÀN
SAFETY)
4. Xác
hàmQUÁ
lượngTRÌNH
ẩm cân (PROCESS
bằng của KTN
chua (tt)

Hình 5-5 Giản đồ xác định tỉ số hàm ẩm của khí chua/ khí ngọt
CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

20

ANđịnh
TOÀN
SAFETY)
4. Xác
hàmQUÁ
lượngTRÌNH
ẩm cân (PROCESS
bằng của KTN
chua (tt)
 Ví dụ 5-2

Á p dụng 3 phương pháp để xác định hàm lượng ẩm cân bằng
cho dòng khí có thành phần như sau: 80% CH4, 10% H2S và
10% CO2, tại 70oC và 6000 kPa.
 Đáp án 5-2
a) Á p dụng công thức:
W = yHCW HC + yH2SW H2S + yCO2W CO2
= 0.8x4500 + 0.1x6000 + 0.1x4700 = 4670 mg/Sm3
b) Dùng giản đồ Campbell với nồng độ H2S tương đương:
yH2S* = yH2S + 0.75 x yCO2 = 0.175 = 17.5%
CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

21

11


ANđịnh
TOÀN
SAFETY)
4. Xác
hàmQUÁ
lượngTRÌNH
ẩm cân (PROCESS
bằng của KTN
chua (tt)
- Tra hàm lượng nước từ Hình 5-1:
W = 4500 mg/Sm3 (6900 kPa);
W = 12000 mg/Sm3 (2100 kPa)
 tại 6000 kPa: W = 4514 mg/Sm3
c) Phương pháp 3:

CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

22

AN
TOÀN
QUÁ tạo
TRÌNH
SAFETY)
5. Dự
đoán
khả năng
thành(PROCESS
hydrate
 Phương pháp 1
 Xác định điều kiện P, T để tạo thành hydrate
 Xác định tỉ khối của khí,;

 Sử dụng giản đồ Hình 5-6 để tìm được nhiệt độ (ở áp suất
cho trước) hoặc áp suất (ở nhiệt độ cho trước) tại đó
hydrate bắt đầu hình thành.
 Chỉ dùng để ước lượng sơ bộ điều kiện tạo thành hydrate bn
đầu do độ chính xác không cao.

CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

23

12

Áp suất tạo thành hydrate, kPa

AN
TOÀN
QUÁ tạo
TRÌNH
5. Dự
đoán
khả năng
thành(PROCESS
hydrate (tt) SAFETY)

Nhiệt độ (°C)

Hình 5-6 Điều kiện tạo thành hydrate của một số hỗn hợp khí có tỉ khối khác nhau
CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

24

AN
TOÀN
QUÁ tạo
TRÌNH
SAFETY)
5. Dự
đoán
khả năng
thành(PROCESS

hydrate
 Phương pháp 2: sử dụng HSCB rắn – khí (Kr-k)
 Do Kazt và các cộng sự đề xuất dựa vào các hằng số cân
bằng rắn- khí của các cấu tử có trong hỗn hợp;

 Ở áp suất nhất định, nhiệt độ tạo thành hydrat là nhiệt độ tại
đó thoã mãn điều kiện:

yi

K
Trong đó:

i

1

(5-4)

r k

 yi là phần mol của cấu tử I trong hỗn hợp khí;
 Kr-k là hằng số cân bằng rắn-khícủa cấu tử i có trong hỗn
hợp (xác định bằng đồ thị ở các hình 5-1 đến 5-7.
CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

25

13

TOÀN
QUÁ
(PROCESS
V.2.AN
Dự đoán
khả
năngTRÌNH
tạo thành
hydrate (tt)SAFETY)
 Quy trình thực hiện
1) Chọn một giá trị T tại P cho trước (hoặc P tại T cho trước);
2) Sử dụng các giản đồ trong Hình 5-7 đến Hình 5-13 để xác
định hằng số cân bằng khí-rắn Kr-k cho mỗi cấu tử trong hỗn
hợp. Lưu ý giá trị Kr-k đối với Nitơ là không xác định;
3) Xét tổng Σ(yi/Ki,v-s)
4) Lặp lại 3 bước trên cho đến khi Σ(yi/Ki,v-s) = 1

CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

26

TOÀN
QUÁ
(PROCESS
V.2.AN
Dự đoán
khả
năngTRÌNH
tạo thành

hydrate (tt)SAFETY)
 Phạm vi ứng dụng
 Có thể áp dụng với trường hợp áp suất hệ lên đến 7 MPa;
 Phương pháp Kazt không xét đến ảnh hưởng của thành
phần nặng C5+;
 Á p dụng tốt khí trong khí không có thành phần C5+ hoặc
thành phần C5+ không đáng kể.

CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

27

14


TOÀN
QUÁ
(PROCESS
V.2.AN
Dự đoán
khả
năngTRÌNH
tạo thành
hydrate (tt)SAFETY)

HSCB rắn - khí, Kr-k

CH4

Nhiệt độ (°C)

Hình 5-1 Giá trị Kr-k của Methane ứng với các nhiệt độ và áp suất khác nhau
CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

28

HSCB rắn - khí, Kr-k

TOÀN
QUÁ
(PROCESS
V.2.AN
Dự đoán
khả
năngTRÌNH
tạo thành
hydrate (tt)SAFETY)

C2H6
Nhiệt độ (°C)

Hình 5-2 Giá trị Kr-k của Ethane ứng với các nhiệt độ và áp suất khác nhau
CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

29

15


TOÀN

QUÁ
(PROCESS
V.2.AN
Dự đoán
khả
năngTRÌNH
tạo thành
hydrate (tt)SAFETY)

Nhiệt độ (°C)

HSCB rắn - khí, Kr-k

C3H 8
Hình 5-3 Giá trị Kr-k của Propane ứng với các nhiệt độ và áp suất khác nhau
CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

30

HSCB rắn - khí, Kr-k

TOÀN
QUÁ
(PROCESS
V.2.AN
Dự đoán
khả
năngTRÌNH
tạo thành
hydrate (tt)SAFETY)

i- C4H10
Nhiệt độ (°C)

Hình 5-4 Giá trị Kr-k của iso-Butane ứng với các nhiệt độ và áp suất khác nhau
CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

31

16


TOÀN
QUÁ
(PROCESS
V.2.AN
Dự đoán
khả
năngTRÌNH
tạo thành
hydrate (tt)SAFETY)

HSCB rắn - khí, Kr-k

n- C4H10

Nhiệt độ (°C)

Hình 5-5 Giá trị Kr-k của n-Butane ứng với các nhiệt độ và áp suất khác nhau
CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

32

TOÀN
QUÁ
(PROCESS
V.2.AN
Dự đoán
khả
năngTRÌNH
tạo thành
hydrate (tt)SAFETY)

HSCB rắn - khí, Kr-k

CO2

Nhiệt độ (°C)
Hình 5-6 Giá trị Kr-k của CO2 ứng với các nhiệt độ và áp suất khác nhau
CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

33

17


HSCB rắn - khí, Kr-k

TOÀN
QUÁ

(PROCESS
V.2.AN
Dự đoán
khả
năngTRÌNH
tạo thành
hydrate (tt)SAFETY)

H2S
Nhiệt độ (°C)

Hình 5-7 Giá trị Kr-k của H2S ứng với các nhiệt độ và áp suất khác nhau
CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

34

AN
TOÀN
QUÁ tạo
TRÌNH
SAFETY)
5. Dự
đoán
khả năng
thành(PROCESS
hydrate
 Phương pháp 3: phương pháp Trekell- Campell
 Phương pháp này có xét đến ảnh hưởng của thành phần C5+;
 Xem methane là thành phần chính, sau đó hiệu chỉnh ảnh
hưởng của các thành phần C2 đến C4. Hay nói cách khác, ứng

với mỗi áp suất thì mỗi cấu tử có khả năng tạo hydrate với
một phần ΔT khác nhau.
 Đối với C5+

%mol C5+ = 100*yC5+/(1- yC1 – yC5+)

CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

(5-5)

35

18


TOÀN
QUÁ
(PROCESS
V.2.AN
Dự đoán
khả
năngTRÌNH
tạo thành
hydrate (tt)SAFETY)
 Quy trình thực hiện

CN CHẾ BIẾN KHÍ - 2016

36

19