Bài giảng công nghệ khí - Chương 8: Hệ thống làm lạnh

Bài giảng CÔNG NGHỆ KHÍ Chương 8: HỆ THỐNG LÀM LẠNH GVGD: ThS. Hoàng Trọng Quang GVTG: ThS. Hà Quốc Việt Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 2 Hệ thống làm lạnh Một hệ thống làm lạnh làm giảm nhiệt độ của chất lưu bên dưới bằng cách sử dụng khí hoặc nước tại các điều kiện xung quanh. Đặc trưng người ta thường dùng máy điều hòa không khí để làm mát không khí đến một nhiệt độ là 10 - 15oC. Nhiệt độ sản sinh tùy vào từng mục tiêu của quá trình. Nếu mục tiêu là để thu hồi các chất lỏng (NGLs) mang tính thương mại từ dòng khí được sản sinh thì sự kiểm soát kinh tế cơ bản được chuyên biệt hóa. Nếu để tiếp xúc với đường điếm sương của hydrocabon thì sự chuyên biệt và thủ tục quy trình chính là nhiệt độ của quá trình. Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 3 Hệ thống làm lạnh Hệ thống lạnh là cần thiết trong các công nghệ dầu khí dưới đây: Làm lạnh dòng khí trong việc chiết xuất NGL Làm lạnh dòng khí trong việc giám sát dewpoint Bảo quản sản phẩm LPG Hóa lỏng khí LNG Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 4 Hệ thống làm lạnh Có nhiều quá trình được sử dụng trong phần này: Làm lạnh cơ học Máy nén khí Sự hấp thụ Sự giản nở của van Sự giản nở của Turbin Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 5 Hệ thống làm lạnh Hệ thống làm lạnh là một máy bơm nhiệt (heat pump). Nhiệt độ “được bơm” từ nhiệt độ thấp đến nơi có nhiệt độ cao (môi trường xung quanh). Lượng năng lượng tùy vào chất lượng nhiệt được bơm (chiller duty) và nhiệt được bơm bao xa (Sự khác nhau của nhiệt độ giữa bộ làm lạnh - chiller và bộ ngưng tụ - condenser) Năng lượng dùng để làm lạnh có thể ở dạng nhiệt hay công. Các hệ thống làm lạnh bằng các hệ thống hấp thụ hệ thống bơm nhiệt, hệ thống máy nén khí thì sử dụng công. Làm lạnh cơ học Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 6 Hệ thống làm lạnh Hình 8.1. Làm lạnh bằng hệ thống hấp thụ amoniac. Làm lạnh cơ học – HT hấp thụ NH3 Nhiệt Hỗn hợp C hấ t l ư u N H 3 Chất lỏng được trap đổi nhiệt (chilled) Nước yếu Nước mạnhNước yếu Nước mạnh Đáy Bộ chỉnh lưu (Rectifier) Bình chứa NH3 Bình hấp thụ nước ẩm Bình ngưng tụ Thùng chứa nước ẩm mạnh Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 7 Hệ thống làm lạnh Trong công nghệ dầu khí hệ thống lạnh được sử dụng nhiều đó là hệ thống có dùng máy nén khí như hình 8.2 sau: Làm lạnh cơ học – Máy nén khí xử lý dòng chảy chất lưu (process strean) B Hình 8.2: Hệ thống làm lạnh đơn giản dùng máy nén Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 8 Hệ thống làm lạnh Có nhiều bước trong một qui mô của hệ thống hình 8.2 có thể được tóm tắt như sau: Xác định lưu lượng tuần hoàn lạnh (refrigerant circulation rate): Nếu xung quanh hệ thống có sự cân bằng năng lượng thì ta có: Qchiller + mA.hA = mC.hc, nhưng mA = mC = m, (do có sự cân bằng vật chất quanh các điểm trên) vì thế Tính toán một hệ thống đơn giản DC chiller hh Qm   Trong đó: Qchiller: Chiller Duty (kJ.s) m: Lưu lượng tuần hoàn lạnh (kg/s) hA: Enthanpy chất lỏng bão hòa (kJ/kg) hC: Enthanpy hơi bão hòa (kJ/kg) (bộ trao đổi nhiệt) Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 9 Hệ thống làm lạnh Xác định công suất máy nén: Tính công lý thuyết (tính đẳng entropy) và sử dụng hiệu suất để tìm công thực. Tính toán một hệ thống đơn giản   E hmW- isen D Ch W Trong đó: W: công suất thực của quá trình (kW) E: hiệu suất quá trình Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 10 Hệ thống máy nén Tính Tải trọng bình ngưng tụ nhiệt (Condenser Heat Load, Qcond) Có hai cách để xác định Qcond, Qcond = W - Qchiller Qcond = m(hA – hD) Tính toán một hệ thống đơn giản A D Qcond (bình ngưng tụ) Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 11 Hệ thống làm lạnh Trong sơ đồ trên tác nhân lạnh qua JT van giãn nở nhiệt độ giảm xuống yêu cầu 3->6oC thấp hơn nhiệt độ cần hạ của khí công nghệ. Trong thiết bị trao đổi nhiệt (chiller) tác nhân lạnh hoá hơi nên chúng sẽ nhận nhiệt, khi ra khỏi chiller sẽ là hơi bão hoà, hơi này vào máy nén được nén lên thành hơi quá nhiệt nên cần làm mát (condenser) cho hơi trở về lỏng bão hoà sau đó chứa trong bình. Biểu diễn quá trình trên trên giản đồ P-H như sau: Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 12 Hệ thống làm lạnh Sơ đồ dùng Expander Expander Proccess for Hydrocarbon Dewpoint Control Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 13 Hệ thống làm lạnh Để làm lạnh sâu hơn người ta dùng Expander Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 14 Hệ thống làm lạnh Khí đi vào expander chui qua các cánh theo kiếu hướng trục và rời khỏi expander theo kiểu dọc trục. Khi qua các cánh thì khí sinh ra công làm quay các bánh từ đó làm quay trục. Thường thì công sinh ra trên trục này sẽ dẫn động máy nén khí ly tâm, hoặc là máy phát điện. Hiệu suất của expander là khá cao (Eisen = 85%) Ứng dụng Expander được dùng trong công nghệ thu hồi NGL (C2+, C3+), hay tạo dewpoint thấp. Expander Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 15 Hệ thống làm lạnh Expander : Mặt cắt tổ hợp của Expander và máy nén khí Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 16 Hệ thống làm lạnh Tính toán Expander Đối với đường động lực học lý thuyết của Expander thì tuân theo đẳng Entropy. Công lý thuyết được tính từ một đường đẳng entropy và đúng với công thực bằng cách sử dụng hiệu suất của một Expander. Đối với khí đi qua expander nhiệt độ giảm đi rất nhiều nên dòng khí ra thường là dòng hai pha nên việc tính toán sẽ trở nên rất phức tạp. Do đó người ta thường giải quyết trên máy tính. Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 17 Hệ thống làm lạnh Qui trình tính toán Expander Từ P1, T1, tính ra h1 và s1 Vì là đẳng entropy nên s2 = s1 Có s2, P2 tính ra T2, h2 = h2 isen Tính công sinh ra: W = m.hisenEisen = m(h2isen - h1) Eisen Tính lại h2act = h3 = h1 + (h2isen – h1) Eisen Có P2, h3 = h2act. Tính T3 = Tact. Tính toán Expander Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 18 Hệ thống làm lạnh Ví dụ: Một dòng khí 1x106 std m3/d, Mw = 16, qua Expander có P1 = 70bar, P2 = 20bar, T1 = 10oC, Eisen.Tính nhiệt độ đầu ra và công sinh ra. Tự giải Tính toán Expander Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 19 Hệ thống làm lạnh Dùng đồ thị P-H cho propan tính lưu lượng propan tuần hoàn, công suất máy nén, công suất condenser, của một quá trình làm lạnh khí gas như sau: TC = -25 hóa hơi hoàn toàn, Qchiller = 3000kW Ví dụ 1 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 20 Hệ thống làm lạnh Trên đồ thị P-H của propan ta bắt đầu từ điểm A (lỏng bão hoà và 38oFC), áp suất trong accumulator 1300psi, hA = 0; TC = -25 hoá hơi hoàn toàn nên Pc = 200psi, hc =250kj/kg Tỉ số nén: r = (PD/PC)0,5 = (1340/200) 0,5 = 2,59 Do đó: Py = r Pc = 200x2,59 = 517 psi + Tại E có Pe = Py = Pg = Pf = 517psi E nằm trên đường điểm sôi nên he = -110kj/kg + Tại B có hb = he = -110kj/kg (qua van h = const) Qchiller = 3000kW = mb(hc-hb) => mb = mc = me = 3000/(250 + 110) = 8,3kg/s Ví dụ 1 - Giải Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Hệ thống làm lạnh + Tại F có Pf = 517 psi nằm trên đường điểm sương hf = 280kj/kg + Qua economizer ta có: mk*hk = me*he + mf*hf => mf = 3,2 kg/s mk = me + mf = 3,2+8,3 = 11,5kg/s + Tại y trùng f nên hf = hy = 280kj/kg 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 21 Ví dụ 1 - Giải Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 22 Hệ thống làm lạnh Qua economizer ta có: mk*hk = me*he + mf*hf => mf = 3,2 kg/s => mk = me + mf = 3,2+8,3 = 11,5kg/s Tại y trùng f nên hf = hy = 280kj/kg E comp = 75% nên hy’ = hc + (hy - hc)/E = 250 + (280 -250)/0,75 = 290kj/kg Công suất máy nén cấp 1 là: –W1 = mc(hy’-hc) = 8,3(290 - 250) = 332kW Ví dụ 1 - Giải Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 23 Hệ thống làm lạnh Tại G ta có: my*hy’ + mf*hf = mg*hg => hg = (8,3x290+3,2x280)/11,5 = 287kj/kg Tại D có: hd = 345kj/kg , hd’ = hg + (hd - hg)/E = 287 + (345 - 287)/0.75 = 364kj/kg Công suất máy nén cấp 2 là: –W2 = mg(hd’-hg) = 11,5(364 -287 = 885kW Tổng công suất hai máy nén khí: –W = 332 + 885 = 1217kW Công suất condenser: Qcond = W - Qchiller = -1217 - 3000 = - 4217kW Ví dụ 1 - Giải Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 24 Hệ thống làm lạnh Dùng đồ thị P-H cho propan tính lưu lượng propan tuần hoàn , công suất máy nén, công suất condenser, của một quá trình làm lạnh khí gas như sau: Ví dụ 2 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 25 Hệ thống làm lạnh Trên đồ thị P-H của propan ta bắt đầu từ điểm A (lỏng bão hoà và 100oF), áp suất trong accumulator 190psi, 100oF cũng là áp suất đầu ra máy nén (giả sử tổn hao đường ống rất bé) Tại điểm C: propan hoá hơi hoàn toàn ở T= -20oF nên C nằm trên đường điểm sương có áp suất PC = PB = 25psi, hC = -692Btu/lbm Tại điểm B: Có hB = hA = -795 Btu/lbm tại đây PB = 25psi lưu ý Tc = Tb = -20oF trong thiết bị làm lạnh propan nhận nhiệt và giãn nở đẳng nhiệt. Qua máy nén sD = sC và PD = 190 psi ta tìm được điểm D Từ D qua A chính là quá trình trong condenser Ví dụ 2 - Giải Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Hệ thống làm lạnh Lưu lượng tuần hoàn của propan m = Qchiller /(hC - hB) = 1x106/(-692- (-795)) = 9709 lbm/h Công suất máy nén khí: –W = m(hD - hC) /E = 9709(-650 - -629) /0,8 = 200hp Công suất condenser Qcond = W - Qchiller = - 200x2545 – 106 = - 1,51x106Btu/h 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 26 Ví dụ 2 - Giải Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Hệ thống làm lạnh Một hệ thống làm lạnh được thiết kế để làm lạnh dòng khí tự nhiên với mục đích chiết NGL. Dữ liệu được cho sau đây: Chiller duty 2MW Nhiệt độ tồn tại trong chiller -15oC Nhiệt độ không khí 35oC Hiệu suất của máy nén lạnh: 75% Tính lưu lượng tuần hoàn lạnh, công suất máy nén, và condenser duty cho hệ thống này. Sử dụng biểu đồ P-H đối với Propan 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 27 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Hệ thống làm lạnh Nhiệt độ chiller là 3 - 6oC dưới nhiệt độ xử lý yêu cầu. Sử dụng -20oC, Lưu ý từ hình 8.8. Áp suất chiller là 240kPa. Nhiệt độ condenser từ 14 – 16oC trên nhiệt độ không khí đối với máy làm lạnh khí. Dùng 50oC. Tra từ đồ thị hình 8.8 ta được áp suất condenser là 1750kPa. Điểm A là chất lỏng bảo hòa tại 50oC, tra từ hình 8.8 ta được hA = 33kJ/kg Điểm C là hơi bảo hòa tại -20oC, tra từ đồ thị hình 8.8 ta có hC = 250kJ/kg 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 28 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Hệ thống làm lạnh Biểu đồ áp suất – Enthanpy đối với Propan (hệ SI) 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 29 h = 33 Copyright 2008 Khoa Kỹ thuật Địa chất – Dầu khí Hệ thống làm lạnh Lưu lượng tuần hoàn lạnh: Công suất máy nén, W 11/14/2013 Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 30