Chapter 2 - Phase Behaviour

Chapter 2 - Phase Behaviour 1

Chương 2:Giản Đồ Pha & Ứng Giản Đồ Pha & Ứng Dụng Trong Chế Biến Dụng Trong Chế Biến KhíKhí


Chương 2: Giản Đồ Pha & Ứng Giản Đồ Pha & Ứng Dụng Dụng Trong Chế Biến Khí Trong Chế Biến Khí

2.1. Giản đồ pha của đơn chất

2.1.1. Các khái niệm- Cấu tử: là những chất riêng biệt cần thiết để tạo thành hệ. Đối với những hệ có xảy ra tương tác hóa học, số cấu tử bằng số chất riêng biệt trừ đi số phương trình phản ứng giữa các chất đó.

Ví dụ: Số cấu tử của hệ: KClO3 (r) = KCl (r) + O2 (k) là:a. 1b. 2c. 3d. Không xác định.



- Số bậc tự do: là số thông số của hệ cân bằng có thể tự do thay đổi mà không làm thay đổi số và bản chất các pha của hệ.

Ví dụ: Số bậc tự do của hệ hơi nước bão hòa là:a. 1b. 2c. 3d. Không xác định.



2.1.2. Quy tắc pha GibbsSố bậc tự do của hệ cân bằng mà chỉ chịu ảnh hưởng của các thông số bên ngòai là nhiệt độ và áp suất, bằng số cấu tử của hệ trừ số pha cộng với 2.

T = C – P + 2

Ví dụ: Số bậc tự do của hệ: Ca(OH)2(r) = CaO(r) + H2O(k) là:a. 1b. 2c. 3d. 4



2.1.3. Giản đồ pha

1-2: thăng hoa.

2-3: nóng chảy.

2-C: hóa hơi.

2: điểm ba (T=0)

A: lỏng nén

B: hơi quá nhiệt

C: điểm tới hạn


P/T không thay đổi trong quá trình chuyển pha đẳng nhiệt/đẳng áp.

T>TC, khí không thay đổi pha khi tăng áp suất.

T>Tc, P>PC, lưu chất ở trạng thái siêu tới hạn.


Chuyển pha

(ẩn nhiệt)



Giản đồ P-V của 1 cấu tử đơn chất (T = const).

Giản đồ P-T của 1 cấu tử đơn chất.


Giản đồ P-V của 1 cấu tử đơn chất.


P-v Diagram And Phase Envelope Of A Pure Substance



Không có sự chuyển pha đột ngột khi hệ chuyển từ trạng thái A B



2.2. Hệ hai cấu tử

Giản đồ P-V của hệ 2 cấu tử (T = const)


Giản đồ P-V của hệ 2 cấu tử.


Giản đồ P-T của hệ 2 cấu tử


P-T Graphs For The Pure Components A And B


Effect Of Composition On Phase Behavior.




Đường cân bằng P-T là đường bao pha.

Khỏang nhiệt độ sôi.

Vị trí đường bao pha phụ thuộc áp suất các cấu tử đơn chất và thành phần hỗn hợp.

S/s độ bay hơi của 2 cấu tử A & B?

PC (hh)>PC (A,B)

Đường bong bóng: hóa hơi.

Đường điểm sương: ngưng tụ.



Gia nhiệt đẳng áp: A E

A: lỏng nén

B: điểm bong bóng

B-D: khỏang nhiệt độ sôi

D: điểm sương

E: hơi quá nhiệt



Nén đẳng nhiệt: F G

F: hơi dưới TC.

F-G: quá trình ngưng tụ.

G: ngưng tụ lỏng hòan tòan.



Nén đẳng nhiệt (hóa hơi ngược):

H: hơi trên TC.

H-J: ngưng tụ - hóa hơi.

J: hóa hơi hòan tòan.


Vùng hóa hơi ngược



Làm lạnh đẳng áp (ngưng tụ ngược):

K: hơi trên TC & Pc.

K-L: ngưng tụ - hóa hơi.

L: hóa hơi hòan tòan.



Cricondenbar: áp suất cực đại mà pha lỏng và pha hơi cùng tồn tại trong hỗn hợp.

Cricondentherm: nhiệt độ cực đại mà pha lỏng và pha hơi cùng tồn tại trong hỗn hợp.


Giản đồ P-X cho hệ 2 cấu tử


Giản đồ T-X cho hệ 2 cấu tử




2.3. Hệ đa cấu tử

2.3.1. Các lọai giếng dầu khí

Phân lọai tùy theo vị trí điểm trạng thái (P, T) của dầu/khí trong giếng so với đường bao pha trong giản đồ pha.



Giếng A & B: dầu nặng/nhẹ.

T<TC.

Tại sao nhiệt độ và áp suất của dầu/khí giảm khi thóat

khỏi giếng?

Tại sao cần bơm nước vào giếng dầu khi bắt đầu

khoan khai thác?


Chương 2: Giản Đồ Pha & Ứng Giản Đồ Pha & Ứng Dụng Dụng Trong Chế Biến Khí Trong Chế Biến Khí Giếng C: khí-

condensate.

TC<T<Tcricondentherm.

Xảy ra hiện tượng ngưng tụ ngược.

Tại sao cần bơm khí vào giếng khí-condensate khi

khoan khai thác?

Khí gì được bơm vào giếng khí-condensate khi khoan

khai thác?



Giếng D: khí ướt.

T>Tcricondentherm.

Xảy ra hiện tượng ngưng tụ ngược.



Giếng D: khí khô.

T>Tcricondentherm.

Không hình thành pha lỏng trong bất cứ điều kiện nào.



Nhiệt độ đầu ra của giếng khai thác dầu/khí ~ 100-1400F.

Hình dạng đường bao pha và vị trí điểm tới hạn thay đổi theo thành phần dầu/khí:

Khí khô: Đường bao pha hẹp, điểm tới hạn thấp, về phía trái.

Dầu nặng: Đường bao pha rộng, điểm tới hạn cao, về phía phải.



Giản đồ pha của (a) khí khô và (b) dầu nặng.

Liquid

Gas

Liquid-Gas

P

T

.C

(a)

Liquid

Gas

Liquid-Gas

P

T

.C

(b)


Giếng A

Giếng B



2.3.2. Ứng dụng giản đồ pha trong vận chuyển khí trong ống dẫn áp suất cao

Liquid

Gas

Liquid-Gas

P

T

J

I

Khi hệ chuyển từ trạng thái I J, nếu đường IJ cắt đường điểm sương có chất lỏng hình thành trong ống dẫn tồn tại 2 pha!

Đường ống vận chuyển 2 pha lớn hơn đường ống vận chuyển 1 pha!

Cuối đường ống có bộ phận tách lọai phần ngưng tụ (slug catcher).



Liquid

Gas

Liquid-Gas

P

T

N

M

J

I

Chuyển về vận chuyển dòng 1 pha!

(1) Thay đổi thành phần khí bằng cách lọai bớt phần nặng để thay đổi vị trí đường bao pha.

Yêu cầu bộ phận tách condensate.

(2) Thay đổi điều kiện vận chuyển khí để chuyển đường IJ thành MN.

Nén và đường ống chịu áp suất cao.

Đường kính ống giảm.



2.3.3. Ảnh hưởng của tạp chất lên đường bao pha

• H2O có áp suất hơi thấp và không trộn lẫn với hydrocarbon lỏng nên ít ảnh hưởng, ngọai trừ ở nhiệt độ cao và áp suất thấp.

• Hàm lượng CO2, H2S, N2 ảnh hưởng đáng kể lên đường bao pha của khí thiên nhiên:

Hàm lượng CO2 và H2S càng cao, đường bao pha càng hạ thấp đường cricondenbar càng thấp.

Hàm lượng N2 càng cao, đường bao pha càng cao đường cricondenbar càng cao.




2.3.4. Ứng dụng giản đồ pha trong chế biến khí để thu hồi condensate

Liquid

GasLiquid-Vapor

P

T

.....

C

C’

C’’

B A

• Để thu hồi condensate, khí cần được làm lạnh đến dưới điểm sương.

• 3 phương pháp làm lạnh: dùng môi chất lạnh, giãn nở theo hiệu ứng Joule-Thomson; hoặc giãn nở turbin.



Liquid

GasLiquid-Vapor

P

T

.....

C

C’’

C’

B A

• A-B: làm lạnh nhờ trao đổi nhiệt với dòng khí sản phẩm.

• B-C: làm lạnh nhờ trao đổi nhiệt với môi chất lạnh.

• B-C’: làm lạnh nhờ van giảm áp thông qua hiệu ứng Joule-Thomson.

• B-C’’: làm lạnh nhờ giảm áp bằng giãn nở turbin.

Phương pháp làm lạnh bằng hiệu ứng Joule-Thomson và giãn nở turbin cho hiệu quả thu hồi condensate cao hơn nhưng tốn chi phí nén tăng áp trở lại sau khi tách condensate.




2.3.5. Ứng dụng tính tóan cân bằng pha

F, zi

Fv, yi

Fl, xi

Ki = yi / xi

yi = 1

xi = 1


Chương 2: Giản Đồ Pha & Ứng Giản Đồ Pha & Ứng Dụng Dụng Trong Chế Biến Khí Trong Chế Biến Khí Phương trình trạng thái:

• Khí lý tưởng: pV = nRT

• Khí thực: pV = ZnRT

• van der Waals: p = [RT/(v-b)] - a/v2

• Redlich-Kwong (Tr>1): p = [RT/(v-b)] – aT-0,5/[v(v+b)]

• Redlich-Kwong-Soave (Tr<1): p = [RT/(v-b)] – a(T)/[v(v+b)]

• Peng-Robinson (CO2, H2S):

p = [RT/(v-b)] – a(T)/[v(v+b)+b(v-b)]

•Redlich-Kwong-Usdin-McAuliffe (hydocarbon nặng):

p = [RT/(v-b) – a(T)/[v(v+d)]



• Benedict-Webb-Rubin:

p = RT + (B0RT-A0-C0/T2)2 + (bRT-a)3 + a6 + c3(1+2)[exp(-

2)]/T2

• Starling-Han:

p = RT + (B0RT-A0-C0/T2+D0/T3-E0/T4)2 + (bRT-a-d/T)3 + (a+d/T)6 + c3(1+2)[exp(-

2)]/T2


Khí lý tưởng Khí thực



Tính nhiệt độ điểm bong bóng

• Bài toán: Hỗn hợp hydrocarbon lỏng có thành phần z tại áp suất P.


Chương 2: Giản Đồ Pha & Ứng Giản Đồ Pha & Ứng Dụng Dụng Trong Chế Biến Khí Trong Chế Biến Khí Ví dụ: Tính khối lượng của 1 MMscf hỗn hợp khí thiên nhiên có trọng lượng lượng riêng (SG) là 0,650.

Cho:

• Khối lượng phân tử của không khí = 28,964 lb/lbmol.

• V1 lbmol khí = 379,5 scf khí.



MW = SG x 28,964 = 0,650 x 28,964 = 18,8 lb/lbmol

m = 1 x 106 scf x 1 lbmol/379,5 scf x 18,8 lb/lbmol

= 4,96 x 104 lb


BÀI TẬP VỀ NHÀ


Mixture 197.50% CH4 and 2.50% C2H6 (closest to 100%

pure Methane vapor pressure curve)

Mixture 2 92.50% CH4 and 7.50% C2H6

Mixture 3 85.16% CH4 and 14.84% C2H6

Mixture 4 70.00% CH4 and 30.00% C2H6

Mixture 5 50.02% CH4 and 49.98% C2H6

Mixture 6 30.02% CH4 and 69.98% C2H6

Mixture 7 14.98% CH4 and 85.02% C2H6

Mixture 85.00% CH4 and 95.00% C2H6 (closest to 100%

pure Ethane vapor pressure curve)


1. Vẽ giản đồ T-x của hệ methane-ethane ở 500 psia.

2. Một hỗn hợp 50% methane và 50% ethane được giữ ở 500 psia. Xác định nhiệt độ tại đó hệ có ít nhất 50% ở trạng thái lỏng.

3. Hỗn hợp trên được giữ ở -600F và 500 psia. Xác định % lỏng của hệ và thành phần pha lỏng và pha hơi.

Documents

Chapter 2 - Phase Behaviour