Download miễn phí Đề tài Tính toán thiết kế công nghệ sấy khí bằng oxit nhôm
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN 0
MỞ ĐẦU 4
PHẦN I: TỔNG QUAN 6
CHƯƠNG I: CƠ SỞ HOÁ LÍ CỦA CÔNG NGHỆ SẤY KHÍ 7
I.1. Thành phần, đặc tính của khí tự nhiên và khí đồng hành. 7
I.2. Các tính chất của khí tự nhiên và khí đồng hành. 8
I.2.1. Phương trình trạng thái của các hydrocacbon. 8
I.2.2. Cân bằng pha của hệ các hydrocacbon. 8
I.3. Tính chất của hệ hydrocacbon và nước. 9
I.3.1. Hàm ẩm của khí. 9
I.3.2. Ảnh hưởng của nitơ và các hydrocacbon nặng đến hàm ẩm của khí. 10
I.3.3. Hàm ẩm cân bằng của hydrat. 10
I.3.4. Sự tạo thành hydrat. 14
I.3.4.1. Cấu trúc tinh thể hydrat. 14
I.3.4.2. Cân bằng quá trình tạo hydrat. 16
I.3.4.3. Nhận xét. 16
I.4. Quá trình hấp phụ. 18
I.4.1. Khái niệm chung về hấp phụ 18
I.4.2. Chất hấp phụ. 18
I.4.2.1. Đặc chưng của chất hấp phụ. 18
I.4.2.2. Ôxit nhôm và - Al2O3 19
I.4.3. Cân bằng pha của quá trình hấp phụ. 23
I.4.4. Hoạt độ hấp phụ 23
I.4.5. Các thuyết hấp phụ. 24
I.4.5.1. Thuyết hấp phụ Lang muir. 24
I.4.5.2. Thuyết hấp phụ BET. 25
I.4.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ. 31
I.4.6.1. Nhiệt hấp phụ. 31
I.4.6.2. Nhiệt trong quá trình tái sinh. 32
I.4.7. Động học của quá trình hấp phụ. 34
I.4.7.1. Chuyển chất từ pha hơi đến bề mặt ngoài viên. 34
I.4.7.2. Chuyển chất trong mao quản. 36
I.4.7.3. Động học của quá trình hấp phụ. 38
CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ 40
II.1. Các phương pháp sấy khô khí. 40
II.1.1. Phương pháp hấp thụ. 40
II.1.2. Phương pháp hấp phụ. 41
II.1.3. Lựa chọn phương pháp. 42
II.2. Công nghệ sấy khí bằng phương pháp hấp phụ 43
II.2.1. Công nghệ sấy với chu trình tái sinh kín. 43
II.2.2. Công nghệ sấy khí với chu trình tái sinh hở. 45
II.2.2.1. Phương án 1. 45
II.2.2.2. Phương án 2. 47
II.2.2.3. Phương án 3. 49
II.2.3. Chọn công nghệ tính toán thiết kế. 50
Để tải tài liệu này, vui lòng Trả lời bài viết, Mods sẽ gửi Link download cho bạn ngay qua hòm tin nhắn.
Ketnooi -
You must be registered for see links
Ai cần tài liệu gì mà không tìm thấy ở Ketnooi, đăng yêu cầu down tại đây nhé:
Nhận download tài liệu miễn phí
Tóm tắt nội dung tài liệu:
o
3
a
l
2
o
3
a
-
0
200 C
0
180 C
0
450 C
a
-
a
l
2
o
3
Bemit
Bayerit
Norrdstrandit
Diaspor
450 C
0
450 C
0
a
-
a
l
2
o
3
0
1200 C
a
l
2
o
3
q
-
h
-
a
l
2
o
3
0
500 C
a
l
2
o
3
a
-
Sơ đồ I: Sự phân huỷ nhiệt của hydroxit nhôm
Dựa vào cấu trúc ta có thể phân loại Al2O3 như sau:
Nhóm a có cấu trúc mạng lưới diện bó chặt.
Nhóm b có cấu trúc mạng lưới bát diện bó chặt luân phiên.
Nhóm g có cấu trúc mạng khối bó chặt.
Oxit nhôm được dùng làm chất hấp phụ để hạ nhiệt độ điểm sương và làm giảm hàm lượng ẩm có trong khí tự nhiên và khí đồng hành do nó có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt riêng lớn, có các tâm axit chịu được nước… (Bảng I.3).
Bảng I.3. Tính chất vật lí của oxit nhôm hoạt tính.
Chất hấp phụ và ứng dụng của nó
Hình dạng hạt
Kích thước hạt; mm
Độ xốp bên trong của hạt x, %
Độ xốp của lớp e, %
Khối lượng riêng xốp rx' kg/m3
Đường kính mao quản A0
Diện tích bề mặt hấp phụ m2/g
Khả năng hấp phụ, g/g chất hấp phụ khó
1. Nhôm oxit hoạt tính dùng để sấy khí và chất lỏng, làm chất mang xúc tác, trung hoà dầu bôi trơn, chất xúc tác
H
6á2,4
-
-
875
-
210
0,14 (2)
H
0,85á0,25
-
-
750
-
310
-
H
Hạt khác nhau
25
49
795
34
250
0,14 (2)
T
4,6
-
40
690
-
310
-
V
25x16
60
-
13610
-
0,5
0,14 (2)
C
4,75á2,4
40
39
835
20á80
350
-
C
6á2,4
-
45
720
64
360
0,20 (2)
C
0,1á0,04
-
35
770
-
400; 310
-
C
6á3,4
-
-
880
-
350
0,2 (2)
Chú thích: H - dạng hạt; T - dạng hình trụ; V - dạng viên dẹt ; C - dạng hình cầu ;
(2) Theo nước, độ ẩm tương đối 100%.
Tính chất hoá học bề mặt oxit nhôm liên quan trực tiếp đến tính hấp phụ và tính xúc tác của nó. Do phụ thuộc vào nhiệt độ, oxit nhôm có thể hấp phụ nước ở dạng ion OH- hay phân tử nước. Khi tiếp xúc với nước ở nhiệt độ thường, oxit nhôm hấp phụ nước ở dạng phân tử không phân ly.
b. Ôxit nhôm dạng g - Al2O3.
Dạng g - Al2O3 không tìm thấy trong tự nhiên mà nó được tạo thành khi nung Gibbsit, Bemit ở nhiệt độ, 450 á 6000C.
Khối lượng riêng của g - Al2O3 là 3,2 á 3,77 g/cm3.
Hệ số khuếch tán của tinh thể g - Al2O3 .
n0 = 1,73 ; Ng = 1,69 ; Np = 1,69
Thông số ô mạng cơ sở của g - Al2O3 .
a = 7,70 á 7,96 A0 ; C = 7,82 á 7,92 A0.
Ngoài ra trên bề mặt của g -Al2O3 tồn tại hai loại tâm axit, tâm axit Lewis có khả năng tiếp nhận điện tử từ phân tử chất hấp phụ, còn tâm axit Bronsted có khả năng nhường proton cho phân tử chất hấp phụ.
Do g - Al2O3 có bề mặt riêng, thể tích lỗ xốp và hình dáng kích thước mao quản lớn nên nó có khả năng hấp phụ hơi nước trong khí tự nhiên và khí đồng hành tốt hơn các oxit nhôm dạng a - Al2O3 và b - Al2O3 . Khi dùng g - Al2O3 điểm sương của khí sau khi sấy có thể đạt tới - 730C (-1000F). Chính vì vậy mà em chọn g - Al2O3 làm chất hấp phụ cho đề tài này.
Hình H7: Cấu trúc khối của g - Al2O3
I.4.3. Cân bằng pha của quá trình hấp phụ.
ở một nhiệt độ nhất định và khi thời gian tiếp xúc pha đầy đủ thì quá trình hấp phụ do bất kỳ lực nào tác dụng cũng sẽ đạt đến trạng thái cân bằng. Phương trình nồng độ cân bằng biểu diễn quan hệ giữa nồng độ chất bị hấp phụ trong pha khí và trong pha rắn có dạng chung như sau:
(I.3)
Trong đó:
- Nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha rắn, kg/kg
- Nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha khí, kg/kg
Trong trường hợp chung, các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình hấp phụ là áp suất và nhiệt độ. Nếu giữ nhiệt độ không đổi thì nồng độ chất bị hấp phụ trong pha khí tỷ lệ với áp suất riêng phần của nó trong hỗn hợp, do đó phương trình nồng độ cân bằng có dạng sau:
= f (P) (I.4)
Trong đó :
P - áp suất riêng phần của chất bị hấp phụ trong hỗn hợp khí, mmHg.
I.4.4. Hoạt độ hấp phụ
Hoạt độ hấp phụ là đặc trưng cơ bản của chất hấp phụ có hai loại hoạt độ.
Hoạt độ tĩnh được đặc trưng bởi lượng tối đa chất bị hấp phụ do một đơn vị thể tích hay một đơn vị khối lượng chất hấp phụ hút được ở một nhiệt độ và nồng độ nhất định của chất bị hấp phụ có trong pha khí (hơi) cho đến khi đạt tới cân bằng.
Hoạt độ động được đặc trưng bởi lượng tối đa chất lượng chất bị hấp phụ do một đơn vị thể tích hay một đơn vị khối lượng chất hấp phụ hút được trong khoảng thời gian tính từ khi bắt đầu hấp phụ cho đến khi xuất hiện chất bị hấp phụ trong pha khí đi ra.
I.4.5. Các thuyết hấp phụ.
Để giải thích hiện tượng và quá trình hấp phụ người ta đưa ra rất nhiều thuyết hấp phụ, nhưng phổ biến hơn cả là thuyết hấp phụ hoá học của Lang muir và thuyết hấp phụ của Brunauer - Emmelt - Teller (gọi tắt là BET)
I.4.5.1. Thuyết hấp phụ Lang muir.
Thuyết này giải thích nguyên nhân hấp phụ là do phân tử hay nguyên tử trên bề mặt chất hấp phụ chưa bão hoà hoá trị, do lực hoá trị dư tạo ra liên kết hoá học, lực hoá trị này rất ngắn 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.
Để tính toán hấp phụ đẳng nhiệt, Lang muir đưa ra phương trình:
(I.5)
Trong đó:
- lượng chất bị hấp phụ trong một đơn vị khối lượng hay thể tích hấp phụ ở trạng thái cân bằng (nồng độ chất bị hấp phụ trong pha rắn);
A, B - hằng số, phụ thuộc vào tính chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ;
p - áp suất riêng phần của chất bị hấp phụ trong hỗn hợp khí.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ (I.5) của Lang muir được chia làm ba vùng:
a. Vùng áp suất riêng phần nhỏ, lúc đó đại lượng Ap ở mẫu số có thể bỏ qua và quan hệ phụ thuộc (I.5) có dạng.
= ABp (I.6)
b. Vùng áp suất riêng phần lớn, lúc đó đơn vị 1 ở mẫu số có thể bỏ qua và quan hệ phụ thuộc(I.5) có dạng:
= B (I.7)
Vùng trung gian ở giữa thì phương trình (I.5) vẫn được sử dụng để tính toán.
Tuy nhiên phương trình (I.5) không áp dụng được đối với trường hợp hấp phụ đa phân tử.
I.4.5.2. Thuyết hấp phụ BET.
Thuyết này được thiết lập trên cơ sở giả thiết bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất và sự hấp phụ xảy ra trên nhiều lớp trong đó mỗi tiểu phân bị hấp phụ ở lớp thứ nhất trở thành trung tâm hấp phụ đối với các tiểu phân ở lớp thứ hai, mỗi tiểu phân bị hấp phụ ở lớp thứ hai trở thành trung tâm hấp phụ đối với các tiểu phân lớp thứ ba…
Hình H.9. Mô hình hấp phụ vật lí nhiều lớp theo lí thuyết BET
Các đường hấp phụ đẳng nhiệt thường có 5 dạng điển hình như được biểu diễn trên hình (H.10).
Hình H.10. Sáu kiểu đường hấp phụ đẳng nhiệt theo phân loại của IUPAC
Trong đó:
nad - lượng chất bị hấp phụ
v - Thể tích chất bị hấp phụ.
p - áp suất.
Đường đẳng nhiệt kiểu I tương ứng với các vật liệu vô cơ có cấu trúc vi mao quản (d 50nm). Các vật liệu vô cơ có đường kính mao quản trung bình (2nm < d < 50nm) có các kiểu đường đẳng nhiệt đặc trưng như kiểu IV và V.
Kiểu I là ứng với hấp phụ một lớp tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Lang muir. Các kiểu II - V là ứng với sự hấp phụ vật lí nhiều lớp và tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Brunauer - Emmelt - Teller, gọi tắt là phương trình BET.
Gọi S0 là phần bề mặt tự do, S1 - phần bề mặt bị che phủ bởi một lớp, S2 - phần bề mặt bị che ph
3
a
l
2
o
3
a
-
0
200 C
0
180 C
0
450 C
a
-
a
l
2
o
3
Bemit
Bayerit
Norrdstrandit
Diaspor
450 C
0
450 C
0
a
-
a
l
2
o
3
0
1200 C
a
l
2
o
3
q
-
h
-
a
l
2
o
3
0
500 C
a
l
2
o
3
a
-
Sơ đồ I: Sự phân huỷ nhiệt của hydroxit nhôm
Dựa vào cấu trúc ta có thể phân loại Al2O3 như sau:
Nhóm a có cấu trúc mạng lưới diện bó chặt.
Nhóm b có cấu trúc mạng lưới bát diện bó chặt luân phiên.
Nhóm g có cấu trúc mạng khối bó chặt.
Oxit nhôm được dùng làm chất hấp phụ để hạ nhiệt độ điểm sương và làm giảm hàm lượng ẩm có trong khí tự nhiên và khí đồng hành do nó có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt riêng lớn, có các tâm axit chịu được nước… (Bảng I.3).
Bảng I.3. Tính chất vật lí của oxit nhôm hoạt tính.
Chất hấp phụ và ứng dụng của nó
Hình dạng hạt
Kích thước hạt; mm
Độ xốp bên trong của hạt x, %
Độ xốp của lớp e, %
Khối lượng riêng xốp rx' kg/m3
Đường kính mao quản A0
Diện tích bề mặt hấp phụ m2/g
Khả năng hấp phụ, g/g chất hấp phụ khó
1. Nhôm oxit hoạt tính dùng để sấy khí và chất lỏng, làm chất mang xúc tác, trung hoà dầu bôi trơn, chất xúc tác
H
6á2,4
-
-
875
-
210
0,14 (2)
H
0,85á0,25
-
-
750
-
310
-
H
Hạt khác nhau
25
49
795
34
250
0,14 (2)
T
4,6
-
40
690
-
310
-
V
25x16
60
-
13610
-
0,5
0,14 (2)
C
4,75á2,4
40
39
835
20á80
350
-
C
6á2,4
-
45
720
64
360
0,20 (2)
C
0,1á0,04
-
35
770
-
400; 310
-
C
6á3,4
-
-
880
-
350
0,2 (2)
Chú thích: H - dạng hạt; T - dạng hình trụ; V - dạng viên dẹt ; C - dạng hình cầu ;
(2) Theo nước, độ ẩm tương đối 100%.
Tính chất hoá học bề mặt oxit nhôm liên quan trực tiếp đến tính hấp phụ và tính xúc tác của nó. Do phụ thuộc vào nhiệt độ, oxit nhôm có thể hấp phụ nước ở dạng ion OH- hay phân tử nước. Khi tiếp xúc với nước ở nhiệt độ thường, oxit nhôm hấp phụ nước ở dạng phân tử không phân ly.
b. Ôxit nhôm dạng g - Al2O3.
Dạng g - Al2O3 không tìm thấy trong tự nhiên mà nó được tạo thành khi nung Gibbsit, Bemit ở nhiệt độ, 450 á 6000C.
Khối lượng riêng của g - Al2O3 là 3,2 á 3,77 g/cm3.
Hệ số khuếch tán của tinh thể g - Al2O3 .
n0 = 1,73 ; Ng = 1,69 ; Np = 1,69
Thông số ô mạng cơ sở của g - Al2O3 .
a = 7,70 á 7,96 A0 ; C = 7,82 á 7,92 A0.
Ngoài ra trên bề mặt của g -Al2O3 tồn tại hai loại tâm axit, tâm axit Lewis có khả năng tiếp nhận điện tử từ phân tử chất hấp phụ, còn tâm axit Bronsted có khả năng nhường proton cho phân tử chất hấp phụ.
Do g - Al2O3 có bề mặt riêng, thể tích lỗ xốp và hình dáng kích thước mao quản lớn nên nó có khả năng hấp phụ hơi nước trong khí tự nhiên và khí đồng hành tốt hơn các oxit nhôm dạng a - Al2O3 và b - Al2O3 . Khi dùng g - Al2O3 điểm sương của khí sau khi sấy có thể đạt tới - 730C (-1000F). Chính vì vậy mà em chọn g - Al2O3 làm chất hấp phụ cho đề tài này.
Hình H7: Cấu trúc khối của g - Al2O3
I.4.3. Cân bằng pha của quá trình hấp phụ.
ở một nhiệt độ nhất định và khi thời gian tiếp xúc pha đầy đủ thì quá trình hấp phụ do bất kỳ lực nào tác dụng cũng sẽ đạt đến trạng thái cân bằng. Phương trình nồng độ cân bằng biểu diễn quan hệ giữa nồng độ chất bị hấp phụ trong pha khí và trong pha rắn có dạng chung như sau:
(I.3)
Trong đó:
- Nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha rắn, kg/kg
- Nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha khí, kg/kg
Trong trường hợp chung, các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình hấp phụ là áp suất và nhiệt độ. Nếu giữ nhiệt độ không đổi thì nồng độ chất bị hấp phụ trong pha khí tỷ lệ với áp suất riêng phần của nó trong hỗn hợp, do đó phương trình nồng độ cân bằng có dạng sau:
= f (P) (I.4)
Trong đó :
P - áp suất riêng phần của chất bị hấp phụ trong hỗn hợp khí, mmHg.
I.4.4. Hoạt độ hấp phụ
Hoạt độ hấp phụ là đặc trưng cơ bản của chất hấp phụ có hai loại hoạt độ.
Hoạt độ tĩnh được đặc trưng bởi lượng tối đa chất bị hấp phụ do một đơn vị thể tích hay một đơn vị khối lượng chất hấp phụ hút được ở một nhiệt độ và nồng độ nhất định của chất bị hấp phụ có trong pha khí (hơi) cho đến khi đạt tới cân bằng.
Hoạt độ động được đặc trưng bởi lượng tối đa chất lượng chất bị hấp phụ do một đơn vị thể tích hay một đơn vị khối lượng chất hấp phụ hút được trong khoảng thời gian tính từ khi bắt đầu hấp phụ cho đến khi xuất hiện chất bị hấp phụ trong pha khí đi ra.
I.4.5. Các thuyết hấp phụ.
Để giải thích hiện tượng và quá trình hấp phụ người ta đưa ra rất nhiều thuyết hấp phụ, nhưng phổ biến hơn cả là thuyết hấp phụ hoá học của Lang muir và thuyết hấp phụ của Brunauer - Emmelt - Teller (gọi tắt là BET)
I.4.5.1. Thuyết hấp phụ Lang muir.
Thuyết này giải thích nguyên nhân hấp phụ là do phân tử hay nguyên tử trên bề mặt chất hấp phụ chưa bão hoà hoá trị, do lực hoá trị dư tạo ra liên kết hoá học, lực hoá trị này rất ngắn 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.
Để tính toán hấp phụ đẳng nhiệt, Lang muir đưa ra phương trình:
(I.5)
Trong đó:
- lượng chất bị hấp phụ trong một đơn vị khối lượng hay thể tích hấp phụ ở trạng thái cân bằng (nồng độ chất bị hấp phụ trong pha rắn);
A, B - hằng số, phụ thuộc vào tính chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ;
p - áp suất riêng phần của chất bị hấp phụ trong hỗn hợp khí.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ (I.5) của Lang muir được chia làm ba vùng:
a. Vùng áp suất riêng phần nhỏ, lúc đó đại lượng Ap ở mẫu số có thể bỏ qua và quan hệ phụ thuộc (I.5) có dạng.
= ABp (I.6)
b. Vùng áp suất riêng phần lớn, lúc đó đơn vị 1 ở mẫu số có thể bỏ qua và quan hệ phụ thuộc(I.5) có dạng:
= B (I.7)
Vùng trung gian ở giữa thì phương trình (I.5) vẫn được sử dụng để tính toán.
Tuy nhiên phương trình (I.5) không áp dụng được đối với trường hợp hấp phụ đa phân tử.
I.4.5.2. Thuyết hấp phụ BET.
Thuyết này được thiết lập trên cơ sở giả thiết bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất và sự hấp phụ xảy ra trên nhiều lớp trong đó mỗi tiểu phân bị hấp phụ ở lớp thứ nhất trở thành trung tâm hấp phụ đối với các tiểu phân ở lớp thứ hai, mỗi tiểu phân bị hấp phụ ở lớp thứ hai trở thành trung tâm hấp phụ đối với các tiểu phân lớp thứ ba…
Hình H.9. Mô hình hấp phụ vật lí nhiều lớp theo lí thuyết BET
Các đường hấp phụ đẳng nhiệt thường có 5 dạng điển hình như được biểu diễn trên hình (H.10).
Hình H.10. Sáu kiểu đường hấp phụ đẳng nhiệt theo phân loại của IUPAC
Trong đó:
nad - lượng chất bị hấp phụ
v - Thể tích chất bị hấp phụ.
p - áp suất.
Đường đẳng nhiệt kiểu I tương ứng với các vật liệu vô cơ có cấu trúc vi mao quản (d 50nm). Các vật liệu vô cơ có đường kính mao quản trung bình (2nm < d < 50nm) có các kiểu đường đẳng nhiệt đặc trưng như kiểu IV và V.
Kiểu I là ứng với hấp phụ một lớp tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Lang muir. Các kiểu II - V là ứng với sự hấp phụ vật lí nhiều lớp và tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Brunauer - Emmelt - Teller, gọi tắt là phương trình BET.
Gọi S0 là phần bề mặt tự do, S1 - phần bề mặt bị che phủ bởi một lớp, S2 - phần bề mặt bị che ph