Tính chất của hệ Hydrocacbon và nước

77

Chơng IV
Tính chất của hệ hydrocacbon v nớc

IV.1. Hm ẩm của khí
Khí tự nhiên và khí đồng hành khai thác từ các mỏ dới lòng đất luôn
bo hoà hơi nớc. Hàm lợng hơi nớc 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 đợc hàm lợng ẩm tối đa của khí. Hàm ẩm tơng ứng với trạng
thái khí bo 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 khí, ngời ta sử dụng hai khái
niệm: độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tơng 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
khí hoặc g/kg khí). Độ ẩm tơng đối là tỷ số giữa khối lợng hơi
nớc có trong khí và khối lợng hơi nớc tối đa có thể có trong khí ở điều
kiện bo hoà (biểu diễn theo phần trăm hoặc phần đơn vị). Nếu giảm nhiệt
độ khí bo hoà hơi nớc còn 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 ẩm tại áp suất đ cho.
Hàm ẩm của khí phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ của hệ và thành phần
hỗn hợp khí. Có nhiều phơng pháp xác định hàm ẩm của khí, trong đó các
phơng pháp sau phổ biến:
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 PVT.
IV.2. Các phơng pháp xác định hm ẩm của khí
IV.2.1. Sử dụng quan hệ giữa áp suất riêng phần và thành phần lỏng hơi
Trong trờng hợp áp suất của hệ thấp, tới 400 kPa, hỗn hợp khí có thể
coi là khí lý tởng, khi đó có thể áp dụng định luật Raoult đối với nớc:

78
P.y
w
= P
h
. x
w
(IV.1)
trong đó: P là áp suất tuyệt đối của hệ; y
w
là phần mol nớc trong pha hơi;
P
h
là áp suất hơi của nớc tại nhiệt độ của hệ; x
w
là phần mol nớc
trong pha lỏng (x = 1).
Phần mol nớc trong pha lỏng x

w
có thể lấy bằng 1, bởi vì pha lỏng
không pha trộn. Nh vậy, khi biết áp suất của hệ và áp suất hơi riêng phần
của hơi nớc thì có thể tính đợc phần mol của nớc trong pha hơi theo đẳng
thức (IV.1).
IV.2.2. Sử dụng các đờng cong thực nghiệm
Từ đầu những năm 1950, khí tự nhiên sau khi loại các cấu tử nặng và
các tạp chất trở thành khí khô ngọt đợc hoá lỏng thành LNG. Đối với khí tự
nhiên khô ngọt này, logarit của hàm ẩm (logW) phụ thuộc vào P và T.
Trên hình IV.1 mô tả sự phụ thuộc của logW vào nhiệt độ điểm sơng
tại áp suất đ cho. Nồng độ tính bằng khối lợng trên một đơn vị thể tích
tiêu chuẩn đợc tính chuyển sang phần mol y theo công thức sau:
kg nớc/10
6
m
3
= y
w
18 ì 41.740
= 751.320 y
w

trong đó: 18 là khối lợng phân tử nớc;
41.740 là kmol khí / 10
6
m
3
(ở 15
0
C và 100 kPa).

Xác định hàm lợng nớc trong khí có ý nghĩa rất quan trọng trong tính
toán quá trình sấy khí, tính toán lợng nớc ngng tụ trong đờng ống dẫn
khí v.v...
Giả dụ tại một điểm trên đờng cong ở hình IV.1, xác định đợc hàm
lợng nớc là 200 kg/10
6
m
3
. Cũng trên đờng cong đó dịch xuống phía dới
xác định đợc một điểm ứng với hàm lợng nớc là 100 kg/10
6
m
3
, có nghĩa
là lợng nớc d đó nếu không đợc lấy ra thì sẽ có 100 kg nớc ngng tụ
trên đờng ống dẫn 10
6
m
3
khí. Lợng nớc này có thể ở dạng hydrat, ngăn
cản quá trình vận chuyển khí trên đờng ống, hoặc gây ăn mòn đờng ống và
thiết bị. Quá trình dehydrat hay còn gọi là quá trình sấy khí sẽ làm hạn chế
sự ngng tụ hơi nớc có trong khí.
Hình IV.1 đợc sử dụng để xác định hàm ẩm cho khí tự nhiên khô ngọt,
với sai số 6 ... 10%. Tuy nhiên sự có mặt CO
2
và H
2
S trong khí với hàm
lợng đáng kể sẽ làm cho kết quả nhận đợc có sai số lớn hơn. Vì vậy, ứng

dụng thực tế chấp nhận đợc khi nồng độ CO
2
và H
2
S nhỏ và áp suất thấp.

79

H×nh IV.1a. Hµm l−îng Èm cña khÝ tù nhiªn kh« ngät
§iÓm s−¬ng,
0
C
Hµm Èm cña khÝ tù nhiªn ngät, kg/10
6
m
3
(100 kPa vµ 15
0
C)

80

H×nh IV.1b. Hµm l−îng Èm cña khÝ tù nhiªn kh« ngät
§iÓm s−¬ng,
0
F
Hµm Èm cña khÝ tù nhiªn ngät, lb/MMscf (14,7 psi vµ 59
0
F)

81
IV.2.3. Hàm ẩm của khí chua
Có một vài phơng pháp xác định hàm ẩm của khí có chứa H
2
S và CO
2
.

Trong số đó có hai phơng pháp hiệu chỉnh với hỗn hợp khí có hàm lợng
CO
2
và H
2
S cao, kết quả nhận đợc có độ chính xác tơng đối cao phù hợp
với thực tế, đợc sử dụng phổ biến.
a. Phơng pháp thứ nhất coi hỗn hợp khí bo hoà hơi nớc, hàm ẩm của
hỗn hợp khí là tổng của hàm ẩm của khí ngọt, hàm ẩm của CO
2
và hàm ẩm
của H
2
S. Hàm ẩm của khí chua đợc tính theo biểu thức sau:
W = y.W
hc
+ y
1
.W
1
+ y
2
.W
2
(IV.2)
trong đó: W là hàm ẩm của hỗn hợp khí chua;
W
hc
là hàm ẩm của khí ngọt xác định từ đồ thị IV.1a, b;
W

1
là hàm ẩm của CO
2
xác định từ đồ thị IV.2;
W
2
là hàm ẩm của H
2
S xác định từ đồ thị IV.3;
y = 1 y
1
y
2
. y
1
là phần mol CO
2
;
y
2
là phần mol H
2
S.
b. Phơng pháp thứ hai coi hỗn hợp khí là hỗn hợp của metan, CO
2
và
H
2
S. Hàm ẩm cũng đợc tính theo biểu thức (IV.2), trong đó hàm ẩm của
CO

2
và H
2
S đợc xác định từ đồ thị IV.4 và IV.5. Biểu thức (IV.2) áp dụng ở
áp suất cao và hàm lợng H
2
S trên 20%.
IV.2.4. Sử dụng phơng trình trạng thái xác định hàm ẩm của khí chua
a. Phơng pháp sử dụng phơng trình trạng thái SRK
Đồ thị trên hình IV.6 đợc xây dựng trên cơ sở tính toán theo phơng
trình trạng thái Soave - Redlich - Kwong (SRK) đ nêu ở chơng II.
P =
)(.
5,0
bT
a
b
RT
+


vv
v
(IV.3)
trong đó: a, b là hằng số tơng quan ;
v
là thể tích mol.
Phơng pháp này thừa nhận giả thiết coi toàn bộ hydrocacbon trong khí
là metan và hàm ẩm của CO
2

bằng 75% hàm ẩm của H
2
S ở cùng điều kiện.
Vì vậy, để đơn giản tính toán, phần mol CO
2
đợc đổi thành phần mol H
2
S.
Khi sử dụng đồ thị phần trăm mol H
2
S sẽ là phần trăm mol CO
2
nhân với
0,75 cộng với phần trăm mol H
2
S thực của hỗn hợp khí.

Hình IV.2. Hàm ẩm của CO
2
trong hỗn hợp khí tự nhiên bão hoà hơi nớc
Hàm ẩm, kg H
2
O /10
6
m
3
khí (100 kPa và 15
0
C)
Hàm ẩm, lbs H
2
O /MMscf khí (14,7 psia và 60
0
F)
á
p suất, MPa
á
p suất, psia
82

Hình IV.3. Hàm ẩm của H
2
S trong hỗn hợp khí tự nhiên bão hoà hơi nớc
83
Hàm ẩm, kg H
2
O /10
6
m
3
khí (100 kPa và 15
0
C)

Hàm ẩm, lbs H
2
O /MMscf khí (14,7 psia và 60
0
F)
á
p suất, MPa
á
p suất, psia


84














H×nh IV.4a. Hµm Èm cña CO
2

H×nh IV.4b. Hµm Èm cña CO
2

Hµm Èm, kg H
2
O /10
6
m
3
khÝ
NhiÖt ®é,
0
C
NhiÖt ®é,
0
F
Hµm Èm, lbs H
2

O /MMscf khÝ


85














H×nh IV.5a. Hµm Èm cña H
2
S

H×nh IV.5b. Hµm Èm cña H
2
S
NhiÖt ®é,
0
C
Hµm Èm, kg H
2
O /10
6
m
3
khÝ
Hµm Èm, lbs H
2
O /MMscf khÝ
NhiÖt ®é,
0
F

Hình IV.6. Các giá trị hiệu chỉnh hàm ẩm đối với hỗn hợp khí tự nhiên chua

Hàm ẩm, lbs H
2
O /MMscf khí
Nhiệt độ,
0
F
Nhiệt độ,
0
F
Hàm ẩm, lbs H
2
O /MMscf khí
Hm ẩm của hỗn hợp
khí tự nhiên
Các cấu tử trong pha khí

100% CH
4

10% H
2
S, 90% CH
4

20% H
2
S, 80% CH
4

30% H
2
S, 70% CH
4

40% H
2
S, 60% CH
4

Hm ẩm của hỗn hợp
khí tự nhiên
Các cấu tử trong pha khí
100% CH
4

10% H
2
S, 90% CH
4

20% H
2
S, 80% CH
4

30% H
2
S, 70% CH
4

40% H
2
S, 60% CH
4

86

87
Hàm ẩm tính theo phơng pháp này theo hệ dơn vị Anh:
W = 350 ì w
trong đó W đợc tính bằng lbm/MMscf;
w đợc tính bằng bbl/MMscf, xác định từ đồ thị ở hình IV.6.
Hàm ẩm tính theo hệ đơn vị SI:
W = 5.543 ì w
trong đó W đợc tính bằng kg / 10
6
m
3
;
w đợc tính bằng bbl/MMscf, xác định từ đồ thị ở hình IV.6.
Phơng pháp này là phơng pháp gần đúng nhanh nhất để xác định hàm
ẩm của khí chua nhờ giả thiết chuyển đổi phần mol CO
2
thành phần mol H
2
S

theo tỷ lệ 75% đ đơn giản hoá phép tính.
b. Phơng pháp sử dụng phơng trình trạng thái gần đúng
Phơng pháp này do Suresh và Sharma cùng các cộng sự đa ra trên cơ
sở sử dụng đại lợng khúc xạ phân tử của Eykman và các đẳng thức hoá lý
áp dụng cho khí chua. Các phơng trình trạng thái gần đúng này là các phơng
trình thực nghiệm, có thể tính toán bằng máy tính điện tử hoặc tính bằng tay
sử dụng các đồ thị IV.7, IV.8, IV.9. Trình tự tính toán nh sau:
Tính nhiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn của hỗn hợp, có sử dụng tham
số thứ ba là độ khúc xạ phân tử Z. Có nghĩa là phơng trình trạng thái ngoài
hai thông số nhiệt độ và áp suất còn có thông số thứ ba là độ khúc xạ phân tử
Eykman. Đây là thông số liên hệ giữa chỉ số khúc xạ và phân tử lợng của
phân tử. Chỉ số khúc xạ hay còn gọi là chiết suất của một chất là tỷ số tốc độ
của ánh sáng trong chân không trên tốc độ của ánh sáng trong môi trờng đó.
Xác định áp suất rút gọn P
r
và nhiệt độ rút gọn T
r
của hỗn hợp khí:
P
r
=
c
P
P
; T
r
=
c
T
T

Xác định thông số Z nhờ cách tính nhanh của EMR từ phân tử lợng và
khối lợng riêng của phân đoạn nặng nhất trong hỗn hợp khí đem phân tích.
Tìm giá trị hằng số k ở giá trị T và P của hệ từ đồ thị phụ thuộc của
k vào nhiệt độ và áp suất rút gọn của hơi nớc trên hình IV.7 hoặc tính theo
phơng trình sau:

00490
0
w
w
0
w
0
w
0
w
,
P
P
P/f
P/f
P
P
k

=
(IV.4)

88
trong đó:
0
w
P
là áp suất hơi nớc ở nhiệt độ

T
của hỗn hợp;
P
là áp suất của hệ;
0
w
f
là fugat của hơi nớc ở
0
OH
2
P
và
T
;
f
W
là

fugat của hơi nớc ở
P
và
T
;
0,0049 là hằng số thực nghiệm.

Hình IV.7. Hằng số k ở các nhiệt độ và áp suất khác nhau của hệ
áp suất, MPaáp suất, MPa
á
p suất, psi
k

Hình IV.8. Fugat của nớc ở các nhiệt độ và áp suất khác nhau của hỗn hợp khí
89
á
p suất, MPa
á
p suất, psia
f
w
, psia
f
w
, MPa