Bài giảng công nghệ khí - Chương 7: Làm khô khí bằng chất hấp phụ

Bài giảng CÔNG NGHỆ KHÍ Chương 7: LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ GVGD: ThS. Hoàng Trọng Quang GVTG: ThS. Hà Quốc Việt Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Giới thiệu Sơ bộ về làm khô khí bằng chất hấp phụ Làm khô khí bằng chất hấp phụ Nguyên lý hấp phụ Phương pháp hấp phụ Cơ chế hấp phụ Diễn biến trong tháp hấp phụ Khả năng của chất hấp phụ Thiết kế tháp hấp phụ Ví dụ minh họa 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Sơ bộ về chất hấp phụ Hấp phụ mô tả bất kỳ quy trình xử lý ứng với mọi phân tử từ khí được giữ chặt trên bề mặt của chất rắn bởi tương tác bề mặt. Sự hấp phụ có thể được phân thành hai loại: Những loại nhờ tính hoạt động của chúng tới hấp phụ bề mặt và tích tụ mao dẫn. Những loại hoạt chất hóa học. Những đặc tính cần cho chất hấp phụ: Diện tích bề mặt lớn cho hiệu suất cao Xử lý “tính hoặt động” đối với các thành phần được di dời Tốc độ khối lượng chuyển đổi cao Dễ dàng tái sinh kinh tế Sức kháng nhỏ cho dòng khí Độ bền cơ học cao… 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Sơ bộ về chất hấp phụ 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Sơ bộ về chất hấp phụ 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Bề mặt chất rắn có khuynh hướng hấp dẫn các cấu tử trong pha khí và pha lỏng bao quanh nó. Các cấu tử này thường được giữ thành một lớp, hay thỉnh thoảng nhiều lớp, trên bề mặt chất rắn. Như vậy quá trình hấp phụ là quá trình hút chọn lựa các cấu tử trong pha khí hay pha lỏng lên bề mặt chất rắn. Chất bị hút gọi là chất bị hấp phụ, còn chất rắn xốp gọi là chất hấp phụ. Trong đa số trường hợp, chất hấp phụ rắn phải liên kết thuận nghịch với các cấu tử bị hấp phụ để có thể tái sử dụng chất hấp phụ. Khái niệm Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Quá trình hấp phụ được thực hiện bằng cách cho tiếp xúc 2 pha không hòa tan là pha rắn (chất hấp phụ) với pha khí hay lỏng. Dùng chất (chất bị hấp phụ) sẽ đi từ pha khí (hoặc lỏng) đến pha rắn cho đến khi nồng độ của dung chất phân bố giữa hai pha đạt cân bằng. Hấp phụ khí và hơi trong hỗn hợp không khí đơn giản hơn so với hấp phụ chất tan trong dung dịch. Ở điều kiện bình thường khi hấp phụ chất khí trong hỗn hợp không khí thì không khí không bị hấp phụ. Nhưng khi hấp phụ chất hòa tan trong dung dịch thì dung môi cũng có thể bị hấp phụ. Khái niệm Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Nguyên lý Để giải thích hiện tượng hấp phụ thì người ta đưa ra rất nhiều thuyết hấp phụ, nhưng phổ biến hơn cả là thuyết hấp phụ hóa học của Lăng-mua và Dubinhin Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Lăng-mua Thuyết này giải thích nguyên nhân hấp phụ là do phân tử hay nguyên tử trên bề mặt chất hấp phụ chưa bão hòa hóa trị,do lực hóa trị dư tạo ra lien kết hóa học, khoảng tác dụng của lực này không lớn hơn đường kính phân tử, do đó chỉ hấp phụ một lớp. Quá trình hấp phụ chỉ xảy ra trên những điểm đặc biệt gọi là tâm hấp phụ. Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Dubinhin Thuyết này giải thích hiện tượng hấp phụ bằng trường lực hấp phụ khá lớn. Phương pháp hấp phụ Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Nguyên lý (tt) Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Dubinhin (tt) Trên bề mặt chất hấp phụ không phải chỉ có một lớp chất bị hấp phụ mà có nhiều lớp, mật độ của nó giảm dần tỷ lệ thuận với khoảng cách đến bề mặt chất hấp phụ. Mỗi một điểm của lớp hấp phụ tương ứng với thế năng của hấp phụ ε. Thế năng hấp phụ này là công do lực hấp phụ sinh ra khi chuyển dời một phân tử chất bị hấp phụ từ chỗ không có lực hấp phụ tác dụng đến điểm đã biết ở cách bề mặt chất hấp phụ một khoảg là 1. Vậy thế năng hấp phụ ε là hàm số khoảng cách l: ε = f(1) Bề mặt gồm các điểm có cùng thế năng gọi là mặt đẳng thế. Trên bề mặt đẳng thế ngoài cùng có thế năng hấp phụ ε = 0 và thể tích giới hạn giữa mặt đẳng thế này với bề mặt chất hấp phụ là một thể tích cực đại Wmax. Phương pháp hấp phụ Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Có rất nhiều cơ chế hấp phụ như: hấp phụ trao đổi ion, hấp phụ kèm theo phản ứng hóa học, hấp phụ không kèm theo phản ứng hóa học. Hấp phụ trao đổi ion là hấp phụ có cực kèm theo sự trao đổi ion giữa chất hấp phụ và dung dịch. Quá trình này chỉ xảy ra khi hấp phụ chất tan trong dung dịch và đường kính mao quản của chất hấp phụ nhỏ hơn 5 Ao(5.10-8 cm). Hấp phụ có kèm theo phản ứng hóa học giữa các chất hấp phụ và các chất bị hấp phụ gọi là hấp phụ hóa học. Quá trình này có thể xảy ra cả trong môi trường không khí và môi trường lỏng, khi đường kính mao quản của các chất hấp phụ lớn hơn 200 A0 và thường xảy ra ở nhiệt độ cao(>2000C). Nhiệt phát ra trong quá trình hấp phụ hóa học thường lớn cỡ nhiệt phản ứng. Quá trình thường là không thuận nghịch. Phân lọai cơ chế Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Hấp phụ không kèm theo phản ứng hóa học chia làm hai lọai: hấp phụ vật lý và hấp phụ kích động: Hấp phụ vật lý Đặc điểm: – Lực hấp phụ là lực Vandecvan, tức là lực hút tương hỗ giữa các phân tử. – Quá trình hấp phụ là quá trình thuận nghịch hoàn toàn. – Nhiệt tỏa ra không đáng kể. – Có thể hấp phụ một lớp hay nhiều lớp Hấp phụ kích động Đặc điểm: – Tạo thành một lớp đặc biệt trên bề mặt chất hấp phụ gọi là lớp đơn phân tử hay là lớp bề mặt, có khi lớp đơn phân tử hay lớp bề mặt này không phủ kín bề mặt chất hấp phụ. Rất khó nhả chất bị hấp phụ khi đi ra khỏi chất hấp phụ. Quá trình này xảy ra chậm, cần phải kích thích để tăng tốc độ (ví dụ dùng ánh sang hay nhiệt độ) Phân lọai cơ chế Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Hấp phụ kích động (tt) Nhiệt tạo ra lớn tương đương nhiệt phản ứng Trong thực tế các lọai hấp phụ có thể xảy ra đồng thời và tùy theo điều kiện thực hiện mà hấp phụ lọai này chiếm ưu thế hơn lọai kia. Các hất hấp phụ có thể chia thành các loại sau: Boxit: là các khoáng chất thiên nhiên chứa chủ yếu là Oxyt nhôm Al2O3 Alumina Oxyt nhôm hoạt hoá đó là các boxit đã làm sạch. Gel: là các hợp chất cấu tạo từ SiO2, hay alumina gel Molecular Sieves: là các zeolite của potassium, sodium,calcium Charcoal: Than hoạt tính. Phân lọai cơ chế Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Chọn lựa chất hấp phụ Việc chọn lựa loại chất hấp phụ nào phụ thuốc vào nhiều yếu tố như dewpoint hơi ẩm, hàm lượng H2S, CO2,…yêu cầu kinh tế… Theo dewpoint hơi ẩm ta có thể tham khảo khả năng một vài chất hấp phụ phổ biến như: Chất hấp phụ Dewpoint đạt được oC Alumina -73 Silica gel -60 Molecular sieves -100 Molecular sieves còn có thể hấp phụ cả các hỗn hợp chứa sulfua song nó khá đắt và năng lượng nhiệt để giải hấp cũng cao. Phân lọai cơ chế Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Sơ đồ công nghệ minh họa cho cụm làm khô khí bằng chất hấp phụ Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Với hệ thống đơn giản nhất gồm hai tháp thì một tháp hấp phụ nước còn một tháp giải hấp bằng khí gas nhiệt độ cao, tháp hấp phụ sẽ làm việc cho đến khi bão hòa nước, thường thì vào khoảng 8~24 giờ. Hệ thống làm khô khí bằng chất hấp phụ thường phải chi phí nhiều hơn khi mua cũng như khi vận hành hơn hệ thống làm khô khí bằng glycol, tuy nhiên nó lại hữu hiệu hơn khi đòi hỏi dewpoint thật thấp, khi sử lý H2S Chất hấp phụ được tái sinh bằng cách thổi gas (hay khí trơ) vào tháp giải hấp với nhiệt độ lên đến 230~320 đối với molecule sieve, đối với zeolite thì nhiệt độ lên đến 316~370oC Phân lọai cơ chế Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Diễn biến trong tháp hấp phụ Các vùng trong tháp hấp phụ Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Khi khí gas ẩm đi vào tháp thì tồn tại ba vùng trong cột hấp phụ: vùng 1 là vùng cân bằng trong vùng này chất hấp phụ đã bão hoà nước, vùng 2 (vùng MTZ) là vùng chuyển tiếp bờ trên bão hoà 100% còn bờ dưới là 0%, vùng 3 là vùng hoạt tính hoàn toàn không ngậm nước. Khi bờ dưới của MTZ di chuyển đến đáy của cột hấp phụ thì quá trình hấp phụ trong tháp này phải dừng lại nếu không lượng nước trong gas sẽ gia tăng. Diễn biến trong tháp hấp phụ Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Khả năng của chất hấp phụ Khả năng hấp phụ nước của chất hấp phụ được hiểu là khối lượng nước bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ. Khả năng hấp phụ nước tĩnh: là khả năng hấp phụ nước của chất hấp phụ mới ở trạng thái tĩnh ( no fluid flow) (hình 7) Đồ thị tra khả năng hấp phụ nước tĩnh của chất hấp phụ khi còn mới Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Khả năng hấp phụ nước động: Là khả năng hấp phụ nước của chất hấp phụ mới ở trạng thái động (fluid flow) thường lấy bằng khoảng 50~70% (Khả năng hấp phụ nước tĩnh) Khả năng hữu ích: Đó là khả năng của chất hấp phụ thực tế còn lại suy giảm theo thời gian so với lúc còn mới (hình 5 cho silica gel) Khả năng của chất hấp phụ Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Khả năng hấp phu hữu ích sụt giảm theo thời gian của Silica gel Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Khả năng hữu ích của chất hấp phụ có thể ước lượng như sau: (x)(hB)= (xs)(hB)-0,45(xs)(hZ) Trong đó: x: Khả năng hữu ích tối đa của chất hấp phụ (wt%) xs: Khả năng hấp phụ nước động trong trạng thái bão hoà (wt%) = 50~70%(Khả năng hấp phụ nước tĩnh) hZ: chiều dài MTZ hB: chiều dài cột hấp phụ Khả năng của chất hấp phụ Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Khả năng hữu ích (x) của một vài chất hấp phụ có thể lấy như sau: Đối với silica gel và nhôm hoạt tính thì xs còn phụ thuộc vào nhiệt độ, đồ thị 6. Xác định hệ số nhân hiệu chỉnh cho xs Khả năng của chất hấp phụ x (wt%) Nhôm hoạt tính 5~12 Silica gel 5~8 Molecular sieve (4A) 7~14 Đồ thị tra hệ số nhân hiệu chỉnh vì nhiệt độ cho khả năng hấp phụ nước động xs của silicagel và nhôm hoạt tính Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Đối với molecular sieve khi nhiệt độ bé hơn 70oC thì không cần phải hiệu chỉnh xs Chiều dài MTZ: chiều dài MTZ phụ thuộc thành phần khí, vận tốc khí, cỡ hạt hấp phụ, độ ẩm khí RH, độ sạch của cột hấp phụ. Chiều dài MTZ có thể ước lượng như sau: Trong đó: qstd lưu lượng khí 106std m3/d W lượng nước bão hoà trong khí ở P,T kg RH độ ẩm tương đối của khí % D đường kính tháp hấp phụ m P áp suất khí kpa T nhiệt độ khí oK Z: hệ số nén khí Khả năng của chất hấp phụ 5506,0 4778,0 0,52490,78952389,0 RHW115,0).(              Tz P d qCh stdz C hệ số tuỳ từng chất : silica gel C = 1; nhôm hoạt tính C = 0,8; molecular sieve C = 0,6 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Với hệ thống giản đơn chỉ gồm hai tháp chỉ nên áp dụng cho lưu lượng khí nhỏ dưới 1,5 triệu m3 khí ngày, khi lưu lượng khí lớn thì có thể dùng hệ thống 3~4 tháp. Thời gian tái sinh tr và thời gian hấp thụ liên hệ như sau: tr = ta/(n-1) với n là số tháp. Như vậy số tháp n phải phù hợp để đủ thời gian tái sinh. Nếu khí bão hoà nước thì một chu kì hấp thụ thường là 8~16 giờ, nếu khí đã được làm khô bằng glycol trước đó thì một chu kỳ hấp thụ là khoảng 24~30 giờ. Kích thước của tháp liên quan đến vận tốc khí, sụt giảm áp suất cho phép. Thiết kế tháp hấp phụ Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Phương trình Ergun cho ta độ sụt giảm áp suất theo chiều dài như sau: P/L = Bvg+C.g.vg2 Trong đó: P/L áp suất sụt giảm theo chiều dài (kpa/m) [thường vào khoảng 7~10 kpa/m] P không nên vượt quá 70kpa.  độ nhớt khí (cp) vg vận tốc khí bề mặt (m/s) g khối lượng riêng khí (kg/m3) Thiết kế tháp hấp phụ Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM B và C tuỳ theo hình dáng kích cỡ hạt hấp thụ như sau: Thiết kế tháp hấp phụ Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ vg ước lượng như sau: vg = A/g0,5 A = 67 (hạt cầu 1/8”) A = 48 (hạt cầu 1/16”) Đường kính tháp: d = (4qa//vg)0,5 qa lưu lượng thực tế ở áp suất và nhiệt độ làm việc (m3/minus): qa = (qs/1440)(Ps/P)(T/Ts)z (m3/minus) Khi đường kính tháp đã có thì chiều cao cột hấp thụ tính như sau: hB = 400mw/(xBd2) hB chiều cao cột hấp thụ (m) mw khối lượng nước bị hấp thụ trong một chu kì (kg) x khả năng hấp phụ hữu ích (%) B khối lượng riêng của chất hấp phụ (kg/m3) d đường kính tháp (m) Thiết kế tháp hấp phụ Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ Chiều cao của tháp hấp phụ sẽ gồm chiều cao cột hấp phụ cộng với chiều dày các thành phần ổn định và khoảng không cần thiết (chiều cao thêm vào khoảng 1~1,5m) xem hình 7. Tốt nhất tỉ số hB/d khoảng 2,5~6 Thiết kế tháp hấp phụ Cấu tạo của một tháp hấp phụ Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Bài tập Ví dụ 7.1: Tính sơ bộ cho hệ thống làm khô khí bằng Molecular Sieve cỡ hạt 1/8’’. Biết lưu lượng khí qS = 106std m3/d, P = 6000kPa; T = 30oC; z = 0,86;  = 0,65; µ = 0,014cp; W = 720kg/106 std m3/d. Giả sử dùng hai tháp hấp thụ song song và 12 giờ cho một chu kỳ thấp phụ. 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Sơ đồ công nghệ minh họa cho cụm làm khô khí bằng chất hấp phụ 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Bài tập Bước 1: Tính độ nhớt riêng của khí: Bước 2: Đường kính tháp: 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Bài tập Bước 3: Tính chiều cao của tháp sử dụng x = 10%. Lượng trong 1 chu kỳ là: Ta có: hB/d = 4.5/1.2 = 3.8 đạt Độ sụt giảm áp: – Vậy: P = (6.6).(4.5) = 30kPa đạt Bước 4: Tính hiệu suất có ích của chất hấp phụ, ta có: 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 5506,0 4778,0 0,52490,78952389,0 RHW115,0).(              Tz P d qCh stdz Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Bài tập Bước 4 (tt) 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM Giả sử khả năng hấp thụ nước động xs = 63% (Khả năng hấp phụ nước tĩnh), ta có: Khả năng hấp phụ nước tĩnh tra đồ thị = 22%  xs = 0,63  22 = 14% Tương đương với x giả sử 10 wt% vậy kích thước tháp đạt yêu cầu làm việc. Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM