Bài giảng Công nghệ khí - Chương 2: Tính chất vật lý và nguyên lý động lực học của khí thiên nhiên

Bài giảng CÔNG NGHỆ KHÍ Chương 2: TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ NGUYÊN LÝ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA KHÍ THIÊN NHIÊN GVGD: ThS. Hoàng Trọng Quang GVTG: ThS. Hà Quốc Việt Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí NỘI DUNG Tính chất vật lý của khí thiên nhiên GIỚI THIỆU KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ KHÍ THỰC TỶ TRỌNG VÀ KHỐI LƯỢNG RIÊNG TÍNH CHẤT GIẢ TỚI HẠN HỆ SỐ LỆCH KHÍ HỆ SỐ THỂ TÍCH THÀNH HỆ HỆ SỐ NÉN ĐẲNG NHIỆT ĐỘ NHỚT NHIỆT ĐỐT CHÁY CỦA KHÍ ENTROPY ENTANPI Nguyên lý động lực học của khí thiên nhiên 2Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí GIỚI THIỆU Tính chất của khí thiên nhiên bao gồm: tỷ trọng, khối lượng riêng, áp suất và nhiệt độ giả tới hạn, độ nhớt, hệ số lệch khí, hệ số nén đẳng nhiệt. Sự am hiểu những thông số này là cực kỳ quan trọng để thiết kế và phân tích hệ thống khai thác và xử lý. Khi thành phần của khí được biết thì những tính chất của khí có thể được xác định thông qua các tương quan. Ở đây trình bày các tương quan được phát triển từ những thí nghiệm khác nhau. 3Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí KHÍ LÝ TƯỞNG – KHÍ THỰC Định luật khí lý tưởng: P.V = n.R’.T Định luật khí thực: p.Va = z.n.R’.T Với: P - áp suất tuyệt đối (psia). V - thể tích (ft3). n - số mole (lb-mole). R’ - hằng số = 10,73 psia.ft3/lb.mole.R. T - nhiệt độ tuyệt đối (R). z - Hệ số lệch khí. 4Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí KHÍ LÝ TƯỞNG – KHÍ THỰC Mole: Lượng vật chất (số nguyên tử hoặc phân tử) có khối lượng bằng trọng lượng nguyên tử hoặc phân tử của vật chất đó.  Không khí: M = 28,97 lbm/lb-mol = 28,97 kg/kmol  Ethane: M = 30,07 lbm/lb-mol = 30,07 kg/kmol  Oxygen: M = 32 lbm/lb-mol = 32 kg/kmol 5Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí KHÍ LÝ TƯỞNG – KHÍ THỰC Thể tích khí tiêu chuẩn: Thể tích mà 1 lb-mol choán chỗ ở những điều kiện chuẩn về áp suất (14,7 psia = 1 atm = 760 mmHg) và nhiệt độ (60F = 15,5 C = 520 R) (SCF- Standard Cubic Feet, ft3) Một lượng khí ròng có thể được biểu diễn theo: ft3 (ở một nhiệt độ và áp suất nhất định) Số mole, Số pound hay số phân tử. SCF 4379 714 52073101 P TRnVtc ,, .,.'..  6Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí KHÍ LÝ TƯỞNG – KHÍ THỰC Ví dụ 1: Tính lượng khí ethane trong bồn chứa theo số mole, pound, số phân tử và SCF. Cho biết V = 1000 ft3 ở áp suất p = 100 psia và nhiệt độ T = 100 F. Giải:  Giả sử định luật khí lý tưởng được thỏa mãn: PV = nR’T  Số mole:  Khối lượng:  Số pound:  Số phân tử Chú ý: Hệ thống BES, trọng lượng (lb) = khối lượng (lbm = lb.s2/32,2 ft)  g (= 32,2 ft/s2). Thể tích khí ethane ở điều kiện chuẩn: moles-lb 6416 5607310 1000100 TR PVn , ., . '  lbm450007306416Mnm ,,,.  lb 450007306416MnG ,,,.  2626 10545107332n .,).,.(  SCF 6316 SCF ,.nVtc   6379 7Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí KHỐI LƯỢNG RIÊNG & TỶ TRỌNG 1. Khối lượng riêng 2. Tỷ trọng: (ở cùng áp suất và nhiệt độ)  (không phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ) Ví dụ 2: Tỷ trọng của một chất khí là g = 0,75 thì khối lượng mole của nó là: M = 28,97g=28,970.75=21,7 lbm/lb-mole. T'R pM V M T'R PV V M.n   tích Theå löôïng Khoái phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ air g g    9728 M TR 9728p TR pM g , ' ,. '  8Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí KHỐI LƯỢNG RIÊNG CỦA KHÍ TRONG VỈA Số mole khí chứa trong V = 1 ft3 của vỉa: Khối lượng mol của 1 mol khí: M = 28,97g Khối lượng riêng của khí trong vỉa: • Ví dụ 3: Hãy tính khối lượng của khí trong vỉa biết g = 0,665, z = 0,91 ở p = 3250 psia và T = 213 F. • Giải: TzR p TzR pVn ''  TzR p9728 nM gg ' ..,   cuft/lbm. )(.., .,., g 5394602137310910 325066509728    9Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí TÍNH CHẤT GIẢ TỚI HẠN Nhiệt độ tới hạn Tc là nhiệt độ mà trên nó, trạng thái khí không thể chuyển thành trạng thái lỏng dù có tăng áp suất. Ví dụ: nước ở 374 C, CO2 ở 31,1 C … Áp suất tới hạn pc là áp suất cần phải đạt được để chất khí ngưng tụ thành lỏng ở nhiệt độ tới hạn. Tương tự như khối lượng mole biểu kiến, những tính chất tới hạn của khí có thể được xác định dựa trên tính chất tới hạn của từng thành phần trong khí. Những tính chất như thế gọi là tính chất giả tới hạn. Áp suất giả tới hạn (ppc): Nhiệt độ giả tới hạn (ppc) pci và Tci là áp suất và nhiệt độ tới hạn của thành phần 10Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí TÍNH CHẤT GIẢ TỚI HẠN Ví dụ 4: Xác định khối lượng mol biểu kiến; áp suất và nhiệt độ giả tới hạn; tỷ trọng của hỗn hợp khí thiên nhiên sau: 11 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Giải: lập bảng tính TÍNH CHẤT GIẢ TỚI HẠN 12 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Nếu chỉ biết tỷ trọng của khí mà không biết các thành phần thì áp suất và nhiệt độ giả tới hạn có thể xác định từ đồ thị hoặc các tương quan dựa trên đồ thị. Một tương quan đơn giản: Được sử dụng với điều kiện: H2S < 3%, N2 < 5% và tổng thành phần ngoại lai nhỏ hơn 7% TÍNH CHẤT GIẢ TỚI HẠN 13Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Đối với khí chua thì thường kết hợp phương pháp đồ thị và tương quan. Phương pháp Wichert-Aziz (1972) Áp suất hiệu chỉnh Nhiệt độ hiệu chỉnh Phương pháp Ahmed (1989) TÍNH CHẤT GIẢ TỚI HẠN 14Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Ứng dụng áp suất và nhiệt độ giả tới hạn để tính Áp suất giả giảm (pseudoreduced pressure): ppr Nhiệt độ giả giảm (pseudoreduced temperature): Tpr Dựa trên hai thông số: Tra đồ thị Standing & Katz những đại lượng cần tìm TÍNH CHẤT GIẢ TỚI HẠN 15Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí HỆ SỐ LỆCH KHÍ Hệ số lệch khí:  z = 0,7  1,2 (Z = 1 đối với khí lý tưởng) Có 04 phương pháp tính hệ số lệch khí z Phương pháp đo Ước tính từ tỷ trọng Phân tích các thành phần của khí Tính từ các tương quan gas ideal actual V Vz  16 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí PHƯƠNG PHÁP 1: ĐO THỂ TÍCH MẪU KHÍ Đo thể tích mẫu khí ở nhiệt độ và áp suất cần tính hệ số lệch khí rồi đo thể tích mẫu khí đó ở nhiệt độ và áp suất sao cho có hệ số lệch khí  1.  Ví dụ 5: Một mẫu khí có Va1 = 364,6 ft3 ở 213 F và 3250 psia, Va2 = 70860 ft3 ở 82 F và 14,8 psia (z2  1). Tính hệ số lệch khí? Giải: 2a2 2 1 1a1 2 1 22a21 11a11 Vp T T Vp z z .n.R.Tz .Vp .n.R.Tz .Vp       910z 910 70860814 82460 213460 63643250 1 z 1 1 ,, ., ,.      17 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí PHƯƠNG PHÁP 2: ƯỚC TÍNH Z TỪ TỶ TRỌNG g CỦA CHẤT KHÍ Phương pháp của Sutton: 1. Tính áp suất và nhiệt độ giả tới hạn theo (1) và (2) 2. Tính áp suất và nhiệt độ giả giảm theo (3) và (4) 3. Tra z nhờ đồ thị của Standing & Beggs (H.1.2). Áp suất giả tới hạn: ppc = 756,8 - 131,0g - 3,6g2 (0,57 < g < 1,68) (1) Nhiệt độ giả tới hạn: Tpc = 169,2 + 349,5g - 74g2 (0,57 < g < 1,68) (2) Áp suất giả giảm: ppr = p/ppc (3) Nhiệt độ giả giảm: Tpr = T/Tpc (4) Dùng đồ thị của Standing & Katz (ppr, Tpr, z)  z. 18Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí  Chú ý:  Đường cong hệ số lệch khí là đường quan hệ (p, z)  Nhiệt độ tới hạn là nhiệt độ mà trên nó, trạng thái khí không thể chuyển thành trạng thái lỏng dù có tăng áp suất. Ví dụ : nước ở 374 C, CO2 ở 31,1 C …  Áp suất tới hạn là á p suất cần phải đạt được để chất khí ngưng tụ thành lỏng ở nhiệt độ tới hạn. PHƯƠNG PHÁP 2: ƯỚC TÍNH Z TỪ TỶ TRỌNG g CỦA CHẤT KHÍ 19HÌNH 1 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Ví dụ 6: Chất khí trong vỉa có g = 0,665, p = 3250 psia, T = 213 F. Tính z? Giải: 1. Dựa theo công thức (1.14) và (1.15)  ppc = 668 psia, Tpc = 369 R 2. Công thức (1.16) và (1.17)   ppr = 4,87 và Tpr = 1,82, tra đồ thị H.1.2  z = 0,918. 821 369 213160p874 668 3250p prpr ,;,    PHƯƠNG PHÁP 2: ƯỚC TÍNH Z TỪ TỶ TRỌNGg CỦA CHẤT KHÍ 20Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí PHƯƠNG PHÁP 3: PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CỦA KHÍ  z được tính theo giả thiết rằng các áp suất và nhiệt độ giả tới hạn đối với mỗi thành phần khí thì tỷ lệ thuận với thể tích của thành phần khí đó và với áp suất và nhiệt độ tới hạn của nó.  Dùng đồ thị của Standing & Katz (ppr, Tpr, z)  z. 21Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí PHƯƠNG PHÁP 3: PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CỦA KHÍ Ví dụ 7: Tính z của một chất khí từ các thành phần của nó ở 3250 psia và 213 F. Thành phần khí (1) Tỉ lệ mole (2) Mo (3) Áp suất tới hạn pc (4) Nhiệt độ tới hạn Tc (5) Mg (2) x (3) (6) ppc (2) x (4) (7) Tpc (2) x (5) (8) Methane CH4 0,8612 16,04 673 343 13,81 579,59 295,39 Ethane C2H6 0,0591 30,07 708 550 1,78 41,84 32,51 Propane C3H8 0,0358 44,09 617 666 1,58 22,09 23,84 Butane iC4H10 0,0172 58,12 550 766 1,00 9,46 13,18 Pentane nC5H12 0,0050 72,15 490 846 0,36 2,45 4,23 CO2 0,0010 44,01 1070 548 0,44 1,07 1,07 N2 0,0207 28,02 492 227 0,58 10,18 4,70 Tổng 1,0000 19,55 666,68 374,92 6750 9728 5519 g ,, ,  ; 8754 68666 3250ppr ,,  ; 801 92374 213460Tpr ,,    Từ đồ thị Standing & Katz (ppr, Tpr, z)  z = 0,91. 22Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí PHƯƠNG PHÁP 4: XÁC ĐỊNH TỪ MỐI TƯƠNG QUAN  Vander Wals: Z3 – (1 + B)Z2 + AZ – AB = 0 A = a*p/(R2*T2) , B = b*p/R/T a = 27*R2*Tc2/64/Pc, b = R*Tc/8/Pc  Peng Robi: Z3 – (1 - B)*Z2 + (A - 2B - 3B2)*Z – (AB – B2 - B3) = 0 A = a*p/(R2*T2) , B = b*p/R/T a = 0,45724*R2*T2c/(pc*d), b = 0,00778R*Tc/pc d0,5 = 1+m(1-Tr0,5), m = 0,37464 + 1,54226W2, Tt = T/Tc 23Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Brill and Beggs (1974): PHƯƠNG PHÁP 4: XÁC ĐỊNH TỪ MỐI TƯƠNG QUAN 24 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Ví dụ: Xác định độ nhớt hệ số lệch khí của hỗn hợp khí có tỷ trọng 0.65, 10% N2, 8%CO2 ở áp suất 10.000 psia và nhiệt độ 180oF. Kết quả: PHƯƠNG PHÁP 4: XÁC ĐỊNH TỪ MỐI TƯƠNG QUAN 25 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Hall và Yarborough (1973): Y thường được giải bằng phương pháp lặp. PHƯƠNG PHÁP 4: XÁC ĐỊNH TỪ MỐI TƯƠNG QUAN 26Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Ví dụ 8: Xác định hệ số lệch khí của khí thiên nhiên có tỷ trọng 0.71 ở 5000 psi và 180 oF. PHƯƠNG PHÁP 4: XÁC ĐỊNH TỪ MỐI TƯƠNG QUAN 27 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí HỆ SỐ HÌNH THÀNH THỂ TÍCH KHÍ sc scsc p TnRz p TznR ' '  a,scscsc a V )vaøTP (ôûmaët beàtreân khítích Theå V T) vaø p(ôû væa trong khítích Theå p T z z T p V V scsc sc sca a  , p zT T p B sc sc g  SCF/ft P zT,Bg 3028290  với Va,sc = 1 SCF và zsc = 1  Khi psc = 14,7 psia và Tsc = 60 F 28 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Ví dụ 9. Chất khí trong vỉa ở p = 3250 psia và T = 213 F, có z = 0,91. Tính hệ số thể tích thành hệ khí Bg? Giải: Suy ra 1 SCF thể tích khí ở điều kiện chuẩn trên bề mặt sẽ chiếm thể tích Va = 0,00533 ft3 trong vỉa ở 3250 psia và 213 F. 1000 ft3 thể tích khí trong vỉa ở 3250psia và 213F sẽ tương ứng với thể tích: =188000SCF= 188MSCF ở điều kiện chuẩn. SCFcuft005330 3250 460213910028290B g /, )(,,  005330 1000 , HỆ SỐ HÌNH THÀNH THỂ TÍCH KHÍ 29Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí p zTnR p TznRV ''  p 1 dp dz z 1 dp dV V i p 1 p TznR dp dz z 1 p TznR p TznR dp dz p TnR dp dV 2               ''''        dp dz z 1 p 1C g p 1C0 dp dz ltg  ,  (T không đổi)  Đối với khí lý tưởng thì z = 1 nên HỆ SỐ NÉN ĐẲNG NHIỆT 30Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí  g :  pcpr pc pr pppp pp .  prtpcprpcprt g ppd dz z i pp 1 dp dz z 1 p 1C                )(.  prTpcpr pcgpr dp dz z 1 p 1pCC          pr pr T dp dz         (1.23) Cpr- ). 1-6g psi 105002000 1 p 1C  . (ppr, Tpr Standing & Katz. HỆ SỐ NÉN ĐẲNG NHIỆT 31Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí HỆ SỐ NÉN ĐẲNG NHIỆT 32 HÌNH 2: Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí  Ví dụ 10: Khí có g = 0,72, tính Cg ở 2000 psia và 140 F trong trường hợp: Khí lý tưởng và khí thực  Giải: 1- Khí lý tưởng: psia66608713948756720637201318756p 2pc ,,,,),(,),(,  2- Khí thực: R 4382438625121697207472053492169T 2pc  ,,,,),(),(,, 571 4382 600T033 6660 2000p prpr ,, ,, ,  ; 0250 dp dz 571Tpr pr , ,           Từ đồ thị Standing & Katz (H.1.2)  z = 0,82  Từ đồ thị này, tìm được: 3610030503300250 820 1 033 1Cpr ,,,),(,,  1610546  psi. p C C pc pr g ; ;,T TT pc pr 581424 460212    214636 2680 , p pp pc pr  HỆ SỐ NÉN ĐẲNG NHIỆT 33Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí HỆ SỐ NHỚT Hệ số nhớt động lực g: phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và cấu tạo của khí. Đơn vị: centipoise (cp) = 0.001 Pa.s = 0.01 g/ cm.s = 0.01 poise = 6.72  10-4 lbm/ft-sec Hệ số nhớt động học g : Độ nhớt động học ít sử dụng trong công nghệ khí Nếu độ nhớt của các thành phần khí được biết thì độ nhớt của hỗn hợp khí thiên nhiên có thể xác định: 34 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT ĐỘNG LỰC 1. Phương pháp đồ thị Đồ thị của Carr, Kobayashi và Burrows để ước tính g từ áp suất giả giảm ppr và nhiệt độ giả giảm Tpr (H.1.4c). Hệ số nhớt động lực 1’ ở áp suất 1 atm và nhiệt độ vỉa phụ thuộc nhiệt độ vỉa T và tỉ trọng khí g (H.1.4a). Các giản đồ ở H.1.4b giúp hiệu chỉnh hệ số nhớt 1’ ở áp suất 1 atm khi chất khí có chứa N2, CO2 và/hay H2S. 35 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT ĐỘNG LỰC 36Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM HÌNH 3 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Các đồ thị Carr, Kobayashi & Burrows dùng để tính hệ số nhớt động lực của chất khí XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT ĐỘNG LỰC 37Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM HÌNH 3 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí  Ví dụ 11: Dùng các đồ thị trên H.1.4 để ước tính g. Biết áp suất vỉa = 2680 psia, nhiệt độ vỉa = 212 F, g = 0,9, Tpc = 424 R, ppc = 636 psia, hàm lượng CO2 = 5%mol.  Giải:  Từ H.1.4a, với g = 0,9 và T = 212 F  1’ = 0,0117 cp  Hiệu chỉnh đối với CO2: từ H.1.4b đối với CO2 có hàm lượng 5%  1 = 0,0003 cp 1 = 1’ + 1 = 0,012 cp; 61 1 g ,    Từ H.1.4c, với Tpr = 1,58 và ppr = 4,21  iSCF/STB/ps 1770 12002500 337567 dp dR so ,     g = 1,6 1 = 0,0192 cp ở T = 212 F và p = 2680 psia XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT ĐỘNG LỰC The university of technology in HCM city 38Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí 2. Phương pháp tương quan (Carr, Kobayashi và Burrows)  Tính độ nhớt ở điều kiện khí quyển 1: trong đó: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT ĐỘNG LỰC 39 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Dempsey (1965) đã thiết lập quan hệ sau: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT ĐỘNG LỰC 40 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí trong đó: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT ĐỘNG LỰC 41 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Giá trị độ nhớt động lực học cuối cùng được xác định: Ví dụ: Xác định độ nhớt động lực học của hỗn hợp khí có tỷ trọng 0.65, 10% N2, 8%CO2 ở áp suất 10.000 psia và nhiệt độ 180oF. XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT ĐỘNG LỰC 42Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Kết quả: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT ĐỘNG LỰC 43 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí 11/14/2013 44 NHIỆT ĐỐT CHÁY CỦA KHÍ Nhiệt đốt cháy của khí là lượng nhiệt được tạo ra khi khí được đốt cháy một cách hoàn toàn tạo thành khí CO2 và hơi nước. Nhiệt đốt cháy của khí thường sử dụng hệ đơn vị Anh trên cu ft khí ở điều kiện chuẩn BUT/scf. Công nghệ dầu khí thường sử dụng bốn đặc tính để thể hiện các giá trị nhiệt đốt cháy của khí: Năng suất tỏa nhiệt khí toàn phần Năng suất tỏa nhiệt thực Nhiệt đốt cháy khí ướt Nhiệt đốt cháy khí khô Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí 45 NHIỆT ĐỐT CHÁY CỦA KHÍ Khi sử dụng các giá trị nhiệt đốt cháy, các từ ướt và khô muốn ám chỉ đến điều kiện của trước khi đốt cháy. Khí ướt có chứa một lượng hơi nước, khoảng 1,75%, khí khô không chứa hàm lượng hơi nước. Năng suất nhiệt toàn phần là lượng nhiệt được tạo ra khi sự cháy xảy ra hoàn toàn dưới giá trị áp suất không đổi theo các sản phẩm cháy được làm lạnh tới các điều kiện chuẩn và nước ở trong các sản phẩm cháy được ngưng tụ tạo thành trạng thái lỏng. Giá trị này cũng còn được gọi là giá trị nhiệt đốt cháy tổng cộng. Năng suất nhiệt thực được xác định tương tự như năng suất toàn phần ngoại trừ lượng nước vẫn tồn tại ở dạng hơi tại điều kiện chuẩn. Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí 46 NHIỆT ĐỐT CHÁY CỦA KHÍ Sự khác biệt giữa hiệu suất nhiệt toàn phần và năng suất nhiệt thực là nhiệt lượng hóa hơi của nước cháy. Trong các giá trị trên thì giá trị được sử dụng nhiều trong công nghệ khí là giá trị năng suất nhiệt toàn phần. Các giá trị thể hiện trong phụ lục là giá trị nhiệt đốt cháy khô. Giá trị nhiệt của một khí lý tưởng được xác định: Trong một trường hợp khác, điều này được tính bằng cách chia giá trị thực cho hệ số lệch khí của khí ở các điều kiện chuẩn:  j cjîidealc LyL z L L idealcrealc  Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí 47 NHIỆT ĐỐT CHÁY CỦA KHÍ Hệ số lệch tâm ở điều kiện chuẩn được tính bằng cách sử dụng hệ số lệch khí z cho trong bảng phụ lục: Sự thay đổi từ khí lý tưởng sang khí thực các giá trị năng suốt toả nhiệt thường nhỏ hơn 0,5 % nên thường được bỏ qua. Năng suất toả nhiệt thực của khí khô được chuyển sang năng suất tỏa nhiệt của khí ướt cho bởi phương trình: 2 11         j j î zyz dryccwet LL )0175,01(  Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí 48 NHIỆT ĐỐT CHÁY CỦA KHÍ Trong đó hệ số 0,0175 là phần mol của hơi nước trong khí được tách ra ở điều kiện chuẩn. Năng suất tỏa nhiệt toàn phần của khí khô có thể được chuyển qua năng suất tỏa nhiệt toàn phần của khí ướt theo phương trình sau: Trong đó 0,9 là giá trị nhiệt được giải phóng trong suốt quá trình ngưng tự của hơi nước ở trong khí trước bị xảy ra quá trình đốt cháy. - Ngoài ra cũng có thể sử dụng phương trình sau để tính toán giá trị năng suất tỏa nhiệt của khí nhiên liệu ướt khi biết hàm lượng nước. khi xét ở điều kiện chuẩn (600F, 14,7 psi): 9,0)0175,01(  drycwetc LL Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí 49 NHIỆT ĐỐT CHÁY CỦA KHÍ Trong đó: L: năng suất tỏa nhiệt tổng cộng (Btu/scf khí lí tưởng). Pstd : áp suất nền tính bằng (scf). Pwvap: áp suất hơi nước tại nhiệt độ T. 50,4 = (Hwvap)(Pstd)(MWw)/(R)(T). Tại 60F, Pwvap =0,25636 psia. MWw: khối lượng phân tử nước. std wvap wvap wvapstd drycwetc P P P PP LL 5,50 )(    Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí ENTROPY Entropy nhiệt động lực (hay gọi đơn giản là entropy) dS là một đơn vị đo lường khối lượng năng lượng dQ phát tán/hấp thụ khi một hệ vật lý chuyển trạng thái tại một nhiệt độ tuyệt đối xác định T (dS = dQ / T). Định luật thứ hai: có nhiều cách để phát biểu định luật thứ hai của nhiệt động học như: “Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn” hoặc “Trong bất kì một quá trình tự diễn biến nào, êntropi tổng của hệ và môi trường xung quanh phải tăng” 50Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí ENTROPY Để xác định entropy, cần sử dụng phương trình trạng thái của Redlich-Kwong-Barxuk. 51Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí ENTROPY - BẢNG TRA HỆ SỐ 52 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí ENTROPY Quá trình tiết lưu qua van: H1 = H2 Hỗn hợp theo dòng: m*H = ∑mi * hi Quá trình gia nhiệt: H tăng Qua máy nén, bơm, Expander: S1 = S2 Qua bình tách: ∆H = 0 53Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí ENTHALPY Enthalpy: hàm trạng thái nhiệt động của hệ, thường có kí hiệu là H, được định nghĩa như sau Đối với một hệ nhiệt động có thể trao đổi nhiệt và công với môi trường xung quanh H = U + pV; trong đó U là nội năng, p - áp suất và V - thể tích. H có thứ nguyên của năng lượng. Nhiệt lượng mà hệ trao đổi trong quá trình đẳng áp bằng biến thiên của H. Tổng năng lượng của một hệ trừ động năng và thế năng. Enthalpy đôi khi còn được gọi là hàm nhiệt lượng. Người ta lập sẵn các đồ thị tra enthapy của hỗn hợp hydrocarbon dựa vào khối lượng phân tử, áp suất và nhiệt độ 54Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí ENTHALPY 55HÌNH 4 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí ĐỒ THỊ ENTHALPY CỦA HC THEO MW, T, P = 1400 ~ 2100 KPa 56 HÌNH 5 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí ĐỒ THỊ ENTHALPY CỦA HC THEO MW, T, P = 2800 ~ 3500 KPa 57 HÌNH 6 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí ĐỒ THỊ ENTHALPY CỦA HC THEO MW, T, P = 5500 ~ 6200 KPa 58 HÌNH 7 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí Giãn nở qua van hoặc van điều tiết. Bơm, máy nén, quạt. Truyền nhiệt. ỨNG DỤNG CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC 59Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí BÀI TẬP Bài 1: Tính tỉ trọng của hỗn hợp khí tự nhiên sau (các khí thành phần xác định theo tỉ lệ phần trăm số mol). Bài 2: Xác định khối lượng riêng của hỗn hợp khí trên ở 1,525 psia và 750F. Đáp số: 0.705 Đáp số: 7.62 lbm/cuft (0.122/cm3) 60Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khíBÀI TẬP Bài 3: Xác định hệ số lệch khí z cho lưu chất vỉa ở nhiệt độ 307oF và áp suất 6,098 psia. Cho tỉ lệ C7+ có: và giá trị thực nghiệm z = 0.998 Đáp số: 0.962 119gM)API(. o408250 61 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí KHỒI LƯỢNG RIÊNG,THỂ TÍCH RIÊNG CỦA KHÍ HYDROCACBON Từ phương trình PV = ZnRT Xét n kmoles khí có thể tích V sẽ nặng nMW kg Khối lượng riêng ρ (kg/m3) = n Do đó ρ = Thể tích riêng v(m3/kg) = 1/ρ = Lưu ý V(m3) là thể tích mole ở P,T khác với thể tích riêng v(m3/kg) V MW ZRT MWP MWP ZRT . 62Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí ĐỘ NHỚT CỦA HỖN HỢP KHÍ Trong đó: μm : Độ nhớt của hỗn hợp khí. μi : Độ nhớt của từng thành phần. yi : Phần moles thành phần i. MWi : Khối lượng phân tử thành phần i.      5.0 5.0 ii iii m MWy MWy  63Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí ĐỘ NHỚT CỦA HYDROCACBON LỎNG Trong đó: μm :Độ nhớt của hỗn hợp lỏng centipoice (cp). μi : Độ nhớt của từng thành phần i tra đồ thị xi : Phần moles thành phần i.  3 1  iim x 64Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí ÁP SUẤT HƠI BÃO HÒA Đại lượng này phụ thuộc vào nhiệt độ tính toán theo phương trình Antoine như sau Với: Trong đó: P: Áp suất hơi bão hoà của hỗn hợp lỏng (psia) ở nhiệt độ T (R) Tc: Nhiệt độ tới hạn (R) Tb: Nhiệt độ sôi trung bình (R) 65Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí HỆ SỐ KHÔNG ĐỒNG BỘ W Trong đó: Pvp là áp suất hơi bão hoà ở TR = 0,7 Đối với hỗn hợp W=Σyiwi Ví dụ tính wi của các cấu tử: Bằng cách tra Pvp ở TR = Sau đó tính W 1log        c vp P P 7,0 cT T 1log        c vp P P 66 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí ENTHANPY Trong khi thực hiện các bài toán về nhiệt động học ta thường gặp biểu thức u+pv về sau biểu thức này có tên là entanpy H. Trong nhiều trường hợp lượng biến đổi H mang ý nghĩa năng lượng. Trong các phương pháp giải tích xác định enthanpy người ta sử dụng phương pháp dựa trên cơ sở phương trình trạng thái của Redlich-Kwong-Barxuk áp dụng cho hệ hydrocacbon C1 đến C10 có thể có chứa N2, CO2, H2S. enthanpy được tính theo biểu thức 67Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí ENTHALPY    kgkJ MW Z mT T TCByRZRTHy H c o iiioii /, 1ln.121                                                                       6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 100100100100100100 187,4 TATATATATATAHoi 68Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí ENTROPY Entropy là loại thông số trạng thái mà lượng biến đổi của nó trong một quá trình thuận nghịch nào đó có giá trị bằng dS= δQ/T. Trong các phương pháp giải tích xác định entropy người ta sử dụng phương pháp dựa trên cơ sở phương trình trạng thái của Redlich-Kwong-Barxuk áp dụng cho hệ hydrocacbo C1 đến C10 có thể có chứa N2, CO2, H2S. entropy được tính theo các phương trình: 23,2 ln1ln..                MW P mZR Z mrRS S ohh hh Sohh = ΣyiSoi - RΣ(yi * lnyi) 69Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí NHIỆT DUNG RIÊNG Nhiệt dung riêng của một chất là lượng nhiệt cần thiết để nâng một đơn vị khối lượng tăng thêm 1oC. Nhiệt dung riêng của hỗn hợp hydrocacbon khí được xác định từ phương trình: Cp: Nhiệt dung mole của hỗn hợp khí hydrocacbon ở P,T Copi: Nhiệt dung mole của cấu tử i ở trạng thái lí tưởng ở T tìm bằng cách tra đồ thị hình 2.46. ΔCp: Đại lượng hiệu chỉnh cho áp suất P tìm bằng cách tra đồ thị Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 70 Cp = ΣCopi.yi + ΔCp Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí NHIỆT LƯỢNG Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi entropi: Entropy là loại thông số trạng thái mà lượng biến đổi của biến đổi của nó trong một quá trình thuận nghịch nào đó có giá trị bằng: dS = δQ/T Đối với 1kg môi chất công thức viết lại như sau: ds = δq/T Ta cũng có quan hệ: dS = G*ds Trong đó: ds lượng biến đổi entropy trong quá trình thuận nghịch vô cùng bé với khối lượng 1kg. Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 71 %63,4%100 1,2 5,2 9,2 5,5 5 92  YYYY Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí NHIỆT LƯỢNG Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi nhiệt độ: Khi có sự trao đổi nhiệt lượng giữa hỗn hợp khí và môi trường nhiệt độ của hỗn hợp khí thường thay đổi. Nhiệt lượng trao đổi này có thể tính qua công thức: Q = ΣCi*mi*Δti Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 72 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí 73 Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên Hệ số lệch tâm Năm 1936, Pitzer đưa ra hệ số lệch tâm w để giải thích các độ lệch dựa vào sự khác nhau theo các điều kiện cụ thể. Pitzer đã nhận thấy rằng đối với argon khi gặp ở dạng chất lỏng đơn giản được xác định bởi là Ps/Pc = 0,1 khi TR = 0,7. Hệ số lệch tâm được xác định bởi phương trình: Vì thế hệ số lệch tâm đo được có sự khac nhau giữa chất lỏng ở trạng thái hợp chất phức tạp và chất lỏng đơn giản. Việc nghiên cứu các phương trình trạng thái có kể thêm thông số w, thông số này phụ thuộc vào thành phần có liên quan, làm tăng đáng kể độ chính xác của các phương trình. 1log 7,0        RTc s P P  Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí 74 Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên Phương trình Soave và Peng-Robinson Trong đó: – a(T) và b trong phương trình này được xác định theo phương trình: – a()T : được xác định như trong phương trình Soave. Nó thay đổi theo nhiệt độ được giảm xuống dựa theo phương trình Soave nhưng hàm liêm quan đến thông số m với hệ số lệch tâm thì khác: )(45724,0 22 R c c T P TRa  c c P RTb m 0778,0 26992,054226,137464,0 2    Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí 75 Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên Phương trình trạng thái phi khối Các phương trình dạng này phức tạp hơn các phương trình được đưa ra trước đây. Nó bao gồm một lượng lớn hơn các thông số, được thiết lập để hiệu chỉnh mức độ chính xác của công việc tính toán. Thương thường có nhiều hơn ba thông số và đòi hỏi quá trình tính toán thức tạp hơn, lâu hơn. Phương trình BWR (Benedict và các tác giả khác) được xuất phát từ phương trình “virial”, thường được sử dụng để thể hiện các đặc tính của pha khí ở điều kiện áp suất trung bình. Phương trình “virial” được thiết lập theo sự phát triển của hệ số lệch khí bằng dãy số Taylor trong 1/V: ....1 2  V C V B RT PVZ Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí 76 Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên Phương trình trạng thái phi khối Nó thường được bỏ qua số hạng đứng phía trước số hạng 1/V2. Hệ số B và C được gọi tương ứng là hệ số “virial” thứ hai và thứ ba. Phương trình BWR có hai số hạng hiệu chỉnh được đưa ra từ thực nghiệm. Phương trình này được viết bằng cách biểu thị giá trị nghịch đảotheo thể tích khối: Trong đó có 8 hệ số của phương trình trên phụ thuộc vào loại thành phần cần quan tâm. )exp()1()()( 222 3 632 2 MM M MMM o ooM T c abRT T C ARTBTRP     Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí 77 Phương pháp Lee – Kesler Nguyên tắc chung của phương pháp Lee – Kesler bao gồm các tính toán giá trị Fp của đặc tính nhiệt động, từ giá trị F(o) và F(r) của đặc tính này đối với chất lưu đơn chất có và đối với các chất lưu mẫu như cho bởi phương trình: Phương trình trạng thái cho một thàn phần với hệ số lệch tâm được tính toán từ phương trình trên, tiếp đó sẽ tính toán hệ số lệch khí: Các số hạng Z(o), Z(r) được xác định như là một hàm số theo VR và TR bằng cách chọn phương trình trạng thái.         )( orr o p FFFF            orro ZZZZ    Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí 78 Phương trình nhiệt động học khí thiên nhiên Áp dụng cho hỗn hợp Các phương trình đã được đề cập ở trên có thể được mở rộng áp dụng cho các hỗn hợp, đưa ra các hệ số của các phương trình này áp dụng cho hỗn hợp có thể liên quan tới các chất khí sạch đó. Đối với các phương trình phát triển trên cơ sở biến đổi từ phương trình Van Der Waals như các phương trình Redlich – Kwrong, Soave và phương trình Peng – Robinson, các nguyên tắc kết hợp thường được áp dụng khi thành phần được xác định dưới dạng phần mole Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM