Tính toán các thông số kỹ thuật cơ bản của tháp làm ngọt khí với nguồn nguyên liệu khí từ Bể Nam Côn Sơn

Tính toán các thông số kỹ thuật cơ bản của tháp làm ngọt khí với nguồn nguyên liệu khí từ Bể Nam Côn Sơn

“ĐỀ án tốt nghiệp Bo mén : Loe hoá dâu

LOI NOI DAU

Từ xa xưa con người đã biết dầu mỏ và khí tự nhiên để phục vụ cho cuộc sống sinh hoạt mặc dù sự hiểu biết còn hạn chế và rất lãng phí nhưng

họ cũng đã coi đó là một nguồn tài nguyên vô cùng quý giá

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, con người đã đánh giá và nhận thức được tầm quan trọng của chúng đối với sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia Đó là nguôn nguyên nhiên liệu chính để phát triển các ngành công nghiệp khác Dầu mỏ và khí tự nhiên là nguồn khoáng sản không phải là vô tận và không có khả năng tái sinh nên cần biết cách khai thác, chế biến hợp lí chống lãng phí nguồn nguyên liệu này

Trước đây lượng dầu mỏ được khai thác và chế biên gấp nhiều lần khí

tự nhiên khai thác, ngày nay khoảng cách đó được thu hẹp lại bởi lượng dầu

mỏ cũng đang đần cạn kiệt cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp chế biến dầu khí

Ở Việt Nam ngành công nghiệp chế biến khí đã và đang trên đà phát triển Chúng ta đã khai thác, xây dựng được những nhà máy chế biến nguồn tài nguyên này đáp ứng được nhu cầu sử dụng năng lượng và có được nhiều thành phẩm có giá trị kinh tế cao Tuy còn hạn chế về công nghệ nhưng nó cũng đóng góp môt phần lớn vào sự phát triển kinh tế của đất nước

Khí sau khi khai thác ngoài các cấu tử chính là các hydrocacbon parafin còn chứa các tạp chất như: Bụi, hơi nước, khí trơ, CO;, H;S và các tạp

chất hữu cơ của lưu huỳnh Đây là các thành phần có thể gây tổn hại đén sức

khoẻ con người cũng như nó làm ăn mòn đường ống thiết bị trong quá trình khai thác và chế biến Vì vậy trước khi đưa vào chế biến, khí cần phải qua công đoạn chuẩn bị, tại đó tiến hành loại bỏ các tạp chất kể trên bằng các quá trình tách bụi,tách hơi nước và các khí axit Được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn lọc hoá dầu và sự hướng dẫn tận tình của Tiến

Sĩ Nguyễn Thị Bình tôi hoàn thành đồ án với đề tài “Tính toán các thông số

Kĩ thuât cơ bản của tháp làm ngọt khí với nguồn nguyên liệu khí từ bể Nam

Côn Sơn” Do kinh nghiệm thực tế và kiến thức ngành nghề còn hạn chế, đồ

án không tránh khỏi những sai sót, tôi rất mong được sự góp ý của các Thầy,

Cô giáo trong bộ môn cùng các bạn đồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn !

Dé dn tét nghiệp Bo mén : Loe hoá dâu

PHANI: TONG QUAN VE KHi TU NHIEN

CHUONG I: KHAI NIEM, NGUON GOC, PHAN LOAI VA THANH

PHAN KHi TU NHIÊN

1 Khái niêm về khí tự nhiên : { }

Khí tự nhiên là tập hợp những hydrocacbon khí CH,, C,H,, C;H,, C,H¿¿ Có trong lòng đất.Chúng thường tồn tại thành những mỏ khí riêng rẽ hoặc tồn tại ở trên các lớp dầu mỏ Trong nghĩa hẹp khí tự nhiên được hiểu là khí trong các mỏ khí Khí tự nhiên cũng luôn chứa các khí vô cơ Ñ;, HS CO; khí trơ và hơi nước

2 Nguồn gốc dau mỏ và khí tự nhiên

Để hiểu rõ về thành phần hoá học của dầu mỏ và khí tự nhiên cần tìm hiểu nguồn gốc, sư hình thành chúng.Mặc dù đó là vấn đề còn tranh cãi giữa nguồn gốc vô cơ và hữu cơ Nhưng giả thuyết về nguồn gốc hữu cơ có tính thuyêt phục hơn

2.1 Nguồn gốc vô cơ

Theo giả thuyết này trong lòng đất chứa các Cacbua kim loại như AL,C,, CaC, céc chat nay bi phan huy bdi H,O dé tao ra CH, va C,H)

AL,C; + 12H,O > 4AL(OH), + 3CH, CaC, + 2H,0 > CaOH), + CH, 2FeC + 3H,O > FeO, + GH

Tir cdc chat khéi dau (CH,, C,H,) qua qué trình biến đổi dưới tác dụng của nhiệt độ, áp suất cao trong lòng đất và xúc tác là các khoáng sét, tạo thành nhưng loại hydrocacbon có trong dầu khí

Để chứng minh cho điều đó năm 1886 Berthelot M đã tổng hợp thành

công hydrocacbon thơm theo 3 giai đoạn

Kim loaikiém + CO; — Cacbuakim loai

Cacbua kim loai+ CO, — GH,

Sabatir và Sendereus cũng đã thực hiện phản ứng hydro hoá axtylen trên xúc tác Niken và Sắt ở nhiệt độ trong khoảng 200-300°C đã thu được một loạt các hydrocacbon tương ứng như trong thành phần dầu mỏ Vì thế giả thuyêt về nguồn gốc vô cơ đã được chấp nhận trong thơi gian khá dài Trong những thập kỉ gần đây trình độ khoa học và kĩ thuật phát triển thì người ta bắt đầu hoài nghi về luận điểm trên vì

+ Đã phân tích được (bằng các phương pháp hiện đại) trong dầu thô

có chứa các porphyrin có nguồn gốc từ động thực vật

+ Trong vỏ quả đất,hàm lương Cacbua kim loại la không đáng kể + Cac hydrocacbon thường gặp trong các lớp trầm tích, tại đó nhiệt độ

ít khi vựơt quá 150+ 200°C (vì áp suất rất cao ), nên không đủ nhiệt độ cần thiết cho phản ứng tổng hợp xảy ra

Vì những lý do đó mà giả thuyết về nguồn gốc vô cơ ngày càng phai

mờ

2.2 Nguôn gốc hữu cơ

Có lẽ xác động thực vật , mà chủ yếu là các loại tảo phù du sống trong biển đã lắng đọng, tích tụ cùng với các lớp đất đá trầm tích vô cơ xuống đáy biển từ hàng triệu năm về trước đã biến thành dầu mỏ, sau đó thành khí tự nhiên.Có thể quá trình lâu dài đó xảy ra theo 3 giai đoạn :Biến đổi sinh học bởi vi khuẩn, biến đổi hoá học dưới tác dụng của các điều kiện địa hoá thích hợp và sự di chuyển, tích tụ các sản phẩm trong vỏ trái đất

Xác động thực vật bị phân huỷ bởi các vi khuẩn ưa thích, sau đó bơi các vi khuẩn ky khí trong qua trình trầm lắng dần trong nước biển Các albumin bi phân huỷ nhanh nhất, các hydrat cacbon bi phân huỷ chậm hơn

“ĐỀ án tốt nghiệp Bo mén : Loe hoá dâu Các khí tạo ra nhu N,, NH;, CO,, CH, Hoà tan trong nước rồi thoát ra ngoài, phần chất hữu cơ còn lại bị chôn vùi ngày càng sâu trong các lớp đất

đá trầm tích Không gian ở đó xảy ra quá trình phân huỷ sinh học đó gọi là vùng vi khuẩn

Ở giai đoạn hoá học tiếp theo, vật liệu hữư cơ còn lại, chủ yếu là các chất lipid, nhựa, sáp, terpen, axit béo, axit humic tham gia các phản ứng hoá học dưới tác dụng xúc tác của vavạt chất vô cơ trong đất đá ở điều kiện áp suất lớn hàng trăm , thậm chí hàng nghìn atmotphe, ở một vài trăm độ bách phân các chất vô cơ khác nhau, đặc biệt là các aluminosilicat, có thể đóng vai trò chất súc tác Quá trình hoá học đó xảy ra vô cùng chậm Càng suống sâu, thời gian càng lớn, sự biến đổi đó càng chở nên sâu xa theo chiều hướng:

Hợp chất phức tạp sinh vật _—> hợp chất hữu cơ đơn giản hơn

Hợp chất thơm phức tạp —> hợp chất thơm đơn giản, hyđrocacbon đơn giản naphten, parafin

Hydrocacbon phân tử lượng lớn —> hyđrocacbon phân tử lượng bé Phản ứng chủ yếu xảy ra trong giai đoạn hoá học là phản ứng cracking, trong đó mạch cacbon của phân tử chất hữu cơ bị đứt gẫy dần Kết quả là tạo ra các chất hữư cơ đơn giản hơn, chủ yếu là hyđrocacbon sinh ra ngày càng nhiều

Đồng thời với việc xảy ra các phản ứng cracking phân huỷ đó là quá trình ngưng tụ, kết hợp một số các chất hữu cơ tương đối đơn giản vừa tạo thành để tạo ra các chất hữu cơ phức tạp hơn: các chất nhựa, Asphalten Các

chất nhựa, Asphalten tan kém, nặng hơn, nên phần lớn bị kết tủa, sa lắng,

phần ít còn lại lơ lửng, phân tán trong khối chất lỏng hyđrocacbon sinh ra bởi quá trình cracking

Tập hợp các phản ứng hoá học đó đã biến dần các vật liệu hữu co thành dầu mỏ và khí tự nhiên Như vậy có thể coi khí tự nhiên là sản phẩm của quá trình phân huỷ hoá học dâu mỏ Dầu mỏ càng già sẽ càng nhẹ đi, càng chứa nhiều chất ít phức tạp, càng biến nhiều thành khí

Dầu mỏ đang được tạo thành ở dạng hỗn hợp lỏng có thể bị di cư từ chỗ này sang chỗ khác dưới tác dụng vận động kiến tạo của vỏ trái đất Chúng thẩm thấu, chui qua các lớp đất đá xốp, chúng chảy qua các khe nứt

và có thể bị tập trung, bị giữ trong những tầng đá đặc khít, tạo ra những túi dầu mà ta thường gọi là mỏ dầu Trong các mỏ dầu các quá trình hoá học vẫn tiếp tục xẩy ra, dầu vẫn liên tục biến thành khí, tạo ra các mỏ khí Không gian xẩy ra các phản ứng hoá học đó gọi là vùng hoá học

Cần nhớ ràng các quá trình đó xẩy ra rất chậm, kéo dài hàng chục, thậm chí hàng trăm triệu năm rồi mà vẫn đang xẩy ra, do đó tuổi của dầu

mỏ, của khí tự nhiên là rất lớn

Như vậy quá trình hình thành dầu mỏ và khí tự nhiên có thể được biểu

diễn bằng sơ đồ tổng quát sau:

Sơ đồ hình thành dâu mỏ và khí tự nhiên

(1): Quá trình phân huỷ sinh học;(2,2ˆ),(3,3”): quá trình hoá học

A: Các vật liệu hữu cơ thực vật, Động vật

B: Dầu mỏ sơ khởi

C: Dau mo

D: Khí tự nhiên

“ĐỀ án tốt nghiệp Bo mén : Loe hoá dâu

3 Phan loai

3.1 Phân loại theo nguồn gốc

Người ta đã phân chúng ra làm 2 loại dựa theo nguồn gốc của mỏ: + Khí thiên nhiên: là khí được khai thác từ các mỏ khí riêng biệt trong

tự nhiên, nó có hàm lượng Metan rất cao, thường từ 90 — 99% thể tích, còn

lại là các khí khác như Etan, Propan va it Butan

+ Khí đồng hành: Là khí nằm lẫn trong dầu mỏ, được hình thành cùng với dầu còn gọi là khí dầu mỏ Về mặt định tính khí đồng hành khá giống khí thiên nhiên nhưng về mặt định lượng thì khí đồng hành có hàm lượng Metan thấp hơn so với khí tự nhiên, thường là 30 — 87%

+ Khí ngưng tụ(condensat) : Thực chất là dạng trung gian giữa dầu

mỏ và khí ,bao gồm các hydrocacbon như Propan, Butan và một số hydrocacbon lỏng khác như Pentan, Pexan,tham chi hydrocacbon Naphtenic

va Aromatic đơn giản, ở điều kiện thường khí ngưng tụ ở dạng lỏng

3.2 Phân loại theo thành phần định lượng

- _ Dựa theo thành phần của khí Acid có trong khí Hyđrocacbon người

ta phân nó ra làm 2 loại : Khí chua và khí ngọt

+ Khí chua là khí ( khí tự nhiên hay khí đồng hành ) có hàm lượng

HS I6n hon 5,8 mg/m? khi 6 diéu khién 15°C va 1 bar , hoặc chứa lượng CO,

lớn hơn 2% thể tích

+ Khí ngọt là khí có hàm lượng H;S hoặc (và) CO; nhỏ hơn qui định trên Theo cách phân loại này, các khí tự nhiên và khí đồng hành ở Việt Nam phần lớn là khí ngọt, rất thuận tiện cho việc chế biến và sử dụng

- - Dựa vào hàm lượng các khí Hydrocacbon nặng (Propan, Butan, Pentan ) người ta phân loại khí thành khí béo và khí gây

Theo cach phan loai nay:

+ Nếu hàm luong C*, chứa lớn hơn 50g/mỶ khí ở điều kién 15°C va 1

bar gọi là khí béo (khí giầu)

+ Trái lại nếu hàm lượng C°; chứa nhỏ hơn 50g/m° khí, gọi là khí gầy (khí nghèo) Khí béo có giá trị kinh tết cao hơn khí gầy, vì người ta có thể chế biến thành nhiều sản phẩm lỏng có giá trị kinh tế cao hơn như : Khí đầu m6 hod long (LPG), Condensat(C*;) để pha xăng

hơn)

4.2 Các hợp chất phi hydrocacbon

Ngoài thành phần chính là các hydrocacbon , trong khí thiên nhiên và khí dầu mỏ còn chứa các tạp chất như:CO;, N;, H,S, H;, He, Ar, Ne trong các loai khí trên thường N; chiếm phần lớn Tuỳ theo hàm lượng các khí co trong các mỏ mà người ta có phương pháp khác nhau để thu hồi chúng

5 Sự phân bố ,trữ lượng và tiềm năng khí thiên nhiên tại Việt Nam Theo số liệu của trung tâm nghiên cứu và phát triển chế biến dầu khí

tiém năng và trữ lượng khí thiên nhiên là 3000 tỷ m ,Trữ lượng được thẩm lượng và sẵn sàng để phát triển khai thác trong thời gian tới vào khoảng 400

tỷ mỶ, nguồn khí Việt Nam tập trung chủ yếu tại các mỏ khí của các bể :Sông Hồng, Cửu Long, Nam Côn Sơn , và Malay-Thổ chu

“ĐỀ án tốt nghiệp Bo mén : Loe hoá dâu

+ Bé Cửu Cong : Diện tích 60 ngàn km” với trữ lượng 50 tỷ mỶ, sản phẩm chủ yếu dầu và khí đồng hành

+ Bé Nam Côn Sơn :Diện tích 160 ngàn km” với trữ lượng 160 tỷ m°

Trung tâm nghiên cứu và phát triển chế biến Dầu khí

Bảng I.2 Thành phần khí đồng hành Bể Cửu Long

Bé min : Loe hod déu

Lip: Loe hod déu k46

CHƯƠNG II: MỘT SỐ TINH CHAT QUAN TRONG CUA

KHi HYDROCACBON

1 Khối lượng trung bình và tỷ khối

Để sơ bộ đánh giá được khí nặng hay nhẹ, người ta có thể dựa vào khối lượng phân tử trung bình và tỷ khối của khí :

+ Khối lượng phân tử trung bình của một tổ hợp khí tính theo công thức sau:

My = >MxU (2.1)

£ Trong đó : Mj — khối lượng phân tử trung bình của phân tử j

Yj — Phần mol của cấu tử j trong tổ hợp Nếu gọi d là tỷ khối của tổ hợp khí so với không khí ta có:

dy, = M,,/29

2 Nhiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn

Mỗi một chất hơi có một nhiệt độ mà cao hơn nhiệt độ đó nó không thể hoá lỏng ở bất khì áp suất nào đó gọi là nhiệt độ tới hạn Tc , gid trị áp

suất tương ứng với nó gọi là áp suất tớ hạn P,., thể tích tương ứng là thể tích

tới hạn V,, áp suất tới hạn và nhiệt độ tới hạn phụ thuộc vào từng loại Hydrocabon , cùng một nhiệt độ sôi như nhau nhưng các Hyđrocacbon thơm bao giờ cũng có nhiệt độ tới hạn cao hơn các Hyđrocacbon Parafin

“ĐỀ án tốt nghiệp Bo mén : Loe hoá dâu

Trén bang 2.1 trình bầy thông số tới hạn của một số khí thông thường:

Ap suất tớt hạn của hidrocacbon từ C, đến C¡; co thể xác định vơi độ chính xác 0,05Mpa theo công thức:

tử Úng với mỗi thành phân sẽ có một nhiệt độ tới hạn, nó chi dic trưng cho

(hqưm (ăn Chinft 13 Lop: Loe hod dầu k46

thành phần đó khi thành phần biến thiên thì nhiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn cũng thay đổi Chính vì vậy, đối với hỗn hợp khí người ta quan tâm tới nhiệt độ giả tới hạn và áp suất giả tới hạn Chúng tính toán theo công thức

T.;: Nhiệt độ tới hạn của cấu tử ¡

P¡: áp suất tới hạn của cấu tử ¡

C,: Phần mol của ¡ trong hỗn hợp

3 Giới hạn cháy nổ

Một hỗn hợp khí chỉ có thể bắt cháy khi gặp nguồn lửa nếu nồng độ của nó trong không khí đạt đến một lượng xác định nào đó Để đặc trưng cho khả năng cháy nổ của khí người ta nghiên cứu và đưa ra khái niệm “giới hạn

cháy nổ”: Là phần trăm thể tích của nhiên liệu trong hỗn hợp với không khí

hoặc với Oxy nguyên chất có thể cháy khi gặp nguồn lửa

+ Ham lượng phần trăm thể tích (hay % mol) của một khí trong liệu trong không khí hoặc Oxy nguyên chất đạt giá trị nhỏ nhất có thể bắt cháy khi gặp ngọn lửa gọi là giới hạn cháy nổ dưới

+ Lượng % lớn nhất theo thể tích (hay % mol) của khí trong không khí hoặc Oxy nguyên chất mà có thể cháy khi gặp nguồn lửa gọi là giới hạn cháy nổ trên Với hàm lượng khí từ giới hạn cháy nổ dưới đến giới hạn cháy

nổ trên, khí sẽ bắt cháy khi có nguồn lửa, đó là vùng cháy nổ Hàm lượng khí

nhỏ hơn giới hạn cháy nổ dưới và lớn hơn giới hạn cháy nổ trên được xem là vùng an toàn

Đồ án tốt ngiiệp Bé min : Loe hod déu

Từ bảng 2.2 ta nhận xét được khi làm việc với khí chua là nguy hiểm rất cao so với khí ngọt vì phạm vi cháy nổ của H;S trong không khí là rất

rộng người ta thường quan tâm đến cháy nổ dưới hơn (bởi vì cháy nổ dưới

thường tạo ra do những sự cố rò rỉ từ những thiết bị dẫn chứa khí ra ngoài)

Trên bảng 2.2: Trình bày giới hạn cháy nổ của Hydrocacbon và H;,S

Hỗn hợp với không khí Hỗn hợp với Oxy nguyên chất

Cấu từ Giới hạn cháy Giới hạn | Giới hạn cháy nổ | Giới hạn cháy

nổ dưới, %V cháy nổ dưới, %V nổ trên, %W

là tính giới hạn cháy nổ của hỗn hợp theo công thức 2.7

Y= 1007) (2.7)

Trong đó:

Y : Giới hạn cháy nổ của hỗn hợp

n;: Phần trăm thể tích (hoặc % mol) của cấu tử ¡ trong hỗn hợp khí

NÑ; giới hạn cháy nổ của cấu tir i

Biết được giới hạn cháy nổ của 1 chất khí (hay của hỗn hợp khí) nắm Vai trò quan trọng trong việc phòng cháy cho hệ thống ống dẫn, trong quy trình công nghệ chế biến khí cũng như trong sử dụng Để hạn chế rủi ro do cháy nổ, trong quá trình vận chuyển khí người ta thường cho thêm chất tạo mùi để dễ phát hiện rò rì, kịp thời xử lý tránh để xảy ra nguy cơ cháy

4 Nhiệt trị

Nhiệt trị còn gọi là nhiệt cháy của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy chất đó bằng oxy O; để tạo thành các oxyd cao nhất và các chất tương ứng Nhiệt trị thường được ký hiệu: Q, đơn vị đo trong công nghiệp là

Nhiệt trị dưới (nhiệt trị thấp) — Qd: là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy hoàn toàn một thể tích hay khối lượng của khí Hydrocacbon mà nước sinh ra trong phản ứng ở trạng thái hơi

Nhiệt trị dưới bao giờ cũng nhỏ h on nhiệt trị trên một lượng bằng nhiệt ngưng tụ hơi nước sinh ra và chúng có phương trình liên hệ như sau:

“ĐỀ án tốt nghiệp Bo mén : Loe hoá dâu

Trong đó:

558: là lượng nhiệt làm ngưng tu | kg nude

h: là số Kg H liên kết

W: số Kg nước có mặt trong Ikg nhiên liệu ở thể hơi

Trong thực tế thì thường dùng khái niệm nhiệt trị dưới Và nhiệt là một

trong những chỉ tiêu đánh giá chất lượng của khí hoặc hỗn hợp khí thương

Yj: Phần mol của các tử j

5 Độ ẩm điểm sương của khí

- Do am cua khí: Là lượng hơi nước có trong khí tại một áp suất và nhiệt độ xác định Độ ẩm của khí phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ, áp suất càng tăng, nhiệt độ càng giảm thì lượng hơi nước trong khí càng nhỏ và ngược lai Người ta hay dùng hai khái niệm về độ ẩm:

+ Do ẩm tuyệt đối: Là khối lượng nước có trong một đơn vị thể tích hay một đơn vị khối lượng của khí (đo bằng gam H,O/m’ khi, gam H,O/kg khi)

+ Độ ẩm tương đối: là tỷ số giữa khối lượng hơi nước có trong hỗn hợp khí so với khối lượng hơi nước cực đại ở trong khí, trong cùng một nhiệt

độ (Lượng hơi nước bão hoà ở nhiệt độ nào đó)

(hqưm (ăn Chinft 17 Lop: Loe hod dầu k46

-_ Điểm sương của khí là nhiệt độ mà tại đó hơi nước ở trong khí được ngưng tụ thành các giọt lỏng như sương mù ở một áp suất nhất định Khí có điểm sương càng thấp thì hàm lượng nước ở trong càng nhỏ

6 Nhiệt dung, nhiệt bay hơi, Entalpy

+ Đối với các hỗn hợp ở áp suất khí quyển nhiệt dung riêng được xác định như sau

Cp, = Czy, (2.10)

o day Cp,: Nhiệt dung mol của cấu tử thứ ¡ ơ nhiệt độ của hệ;

y, : phần mol của cấu tử thứ i

+Ở áp suất cao hơn nhiệt dung riêng của các hydrocacbon khí và hỗn hợp của chúng cũng phụ thuộc vào áp suất Trong trường hợp này nhiệt dung riêng các hydrocacbon khí được xác định theo phương trình:

“ĐỀ án tốt nghiệp Bo mén : Loe hoá dâu

AC,: Dai lượng hiệu chỉnh cho áp suất

- Entalpy:

Trong ngành chế biến khí người ta thường dùng Entalpy H, đây không phải là Etalpy tuyệt đối mà là biến thiên Entalpy từ nhiệt độ gốc quy ước T° đến nhiệt độ đang xét T Đơn vị đo là Kcal/Kg hoặc Kj/Kg

Entalpy của các Hydrocacbon ở thể hơi phụ thuộc và áp suất, ở áp suất càng lớn thì Entalpy càng nhỏ

- Nhiệt bay hơi:

Nhiệt bay hơi là nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho một đơn vị khối lượng chất lỏng để nó chuyển từ pha lỏng sang pha hơi, thường được tính bằng đơn vị Kcal/Kg hoặc Kj/Kg Nhiệt bay hơi phụ thuộc vào áp suất, nhiệt bay hơi tăng khi áp suất tăng

Công thức Trouton tính gần đúng nhiệt bay hơi của một chất (cấu tử):

Trong đó :

Mụ,: Phân tử lượng trung bình

K: Hệ số bằng 20 đến 22

Tạ„„: Nhiệt độ sôi trung bình mol (độ K)

(hqưm (ăn Chinft 19 Lop: Loe hod dầu k46

PHAN II: CAC PHUONG PHAP LAM NGOT KHi

2.1 Tác hại của khí Acid và sự cần thiết phải loại bỏ khí Acid (H;S, CO,)

Trong hỗn hop khí tự nhiên, khí đồng hành và khí hoá dầu ngoài khí Hydrocacbon còn chứa một số khí khác như: Khí chua (H;S, CO,), đồng thời còn chứa một lượng không lớn khí hữu cơ khác nhu: COS, CS,, Mecaptan

Sự tồn tại của chúng trong khí sẽ gây cản trở trong sự vận hành và chế biến khí, chúng gây ăn mòn thiết bị, gây ngộ độc chất xúc tác trong chế biến, đối với người sử dụng nó có ảnh hưởng không tốt đến sức khoẻ, gây ô nhiễm môi trường, khí cacbonic có phần ít độc hại hơn Nhưng nếu thành phân của chúng quá lớn thì sẽ làm giảm nhiệt trị của hỗn hợp khí

Mặt khác, Hydrosunfua (H,S) là khí dễ cháy (giới hạn cháy nổ rộng)

là chất không có màu trứng thối rất khó chịu H;S rất độc có thể gây ngộ độc dẫn đến tử vong cho con người khi tiếp xúc lâu với nó ở nồng độ cao trong khí Cho nên, trong quá trình vận hành khí chúng ta phải hết sức quan tâm đến sự an toàn thiết bị, đề phòng rò rỉ khí Từ những vấn đề phân tích trên chúng ta đã nhận thấy sự bất lợi và tác hại của khí chua H;S, CO; có mặt trong khí tự nhiên, khí đồng hành Vì thế chúng ta cần phải loại bỏ chúng trước khi đưa vào chế biến, nói một cách khác chính là làm ngọt Tuy vậy, bên cạnh sự tác hại của khí chua, thì chúng vẫn có lợi còn ứng dụng được trong công nghiệp chế biến:

“ĐỀ án tốt nghiệp Bo mén : Loe hoá dâu

+ H,S la nguồn nguyên liệu quan trọng để sản xuất Lưu huỳnh nguyên chất và Acid Sunfuaric

+ CO; cũng là nguyên nhiên liệu được dùng trong công nghiệp chế biến thực phẩm, trong công nghiệp hoá chất hoá học, trong nông nghiệp, trong công nghiệp sản xuất đồ uống nước giải khát

Vì vậy, khi lựa chọn các quy trình làm ngọt khí cần phải tính đến mức

độ loại các cấu tử không mong muốn trên và tận dụng chúng để sản xuất ra các sản phẩm chuyên dùng cần thiết

* Tiêu chuẩn cho phép khí chua còn lại trong khí sạch

- Ở Mỹ: Hàm lượng H;S cho phép < 5,7 mgH;S/mkhí

- Ở Nga: Hàm lượng H;S cho phép < 20 mgH,S/m”khí

- Ở Việt Nam : Hiện nay chưa có một quy định nào cụ thể nào, vì khí

tự nhiên, khí đồng hành và khí hóa dâu của chúng ta có hàm lượng CO; và H;S thấp, (trừ khí ở bể Sông Hồng có hàm lượng CO; tương đối cao)

Nói chung, trong các quy trình công nghệ xử lý khí cần phải làm ngọt khí nhằm có mục đích:

- _ Giảm ăn mòn đường ống, thiết bị trong quá trình xử lý khí hay sử dụng khí

- _ Giảm thiểu khả năng gây ngộ độc chất xúc tác trong các công đoạn chế biến sâu

-_ Đảm bảo an toàn cho sức khoẻ và ô nhiễm môi trường

- Đáp ứng tiêu chuẩn về các chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm khí thương mại

-_ Thu hồi khi chua dùng cho các ngành công nghiệp khác, khi hàm

lượng lưu huỳnh trong khí là đáng kể

2.2 Giới thiệu tổng quát về các phương pháp làm ngọt khí:

(hqưm (ăn Chinft 21 Lop: Loe hod dầu k46

Để loại bỏ khí chua (H,S, CO; ) và các hợp chất khác chứa lưu huỳnh không mong muốn ra khỏi tự nhiên, khí đồng hành và khí hoá dau Người ta sử dụng chủ yếu yếu tố là các quá trình hấp thụ, tuỳ thuộc vào đặc điểm tương tác của các hợp chất này với dung môi — chất hấp thụ chúng có thể hợp thành các nhóm sau Phương pháp hóa học, phương pháp vật lý, phương pháp kết hợp vật lý và hóa học

bảo triệt để để khí chua, với hàm lượng trung bình và thấp, độ hoà tan

Hydrocacbon trong dung môi hấp thụ này không đáng kể Thiết bị, công nghệ đơn giản và bền

Nhược điểm cơ bản của quá trình là không tách được toàn bộ lượng khi chua H,S , CO, , COS, CS, va Mecaptan) ở khí có chứa hàm lượng lớn

Vì lẽ đó hàm lượng các hợp chất chứa lưu huỳnh còn lại tương tác với dung môi tạo thành các hợp chất hóa học bền ,khó tái sinh ở điều kiện của quá trình Để thực hiện quá trình cần phải có bậc tuần hoàn chất hấp thụ cao và tiêu hao nhiệt lượng lớn (chúng tăng lên khi nồng độ các chất không mong muốn tăng lên) Chất hấp thụ và sản phẩm tương tác của chúng với các tạp chất chứa trong khí nhiên liệu nhiều khi có hoạt tính ăn mòn cao

Cùng với sự gia tăng nồng độ amin và mức bão hoà dung môi bởi khí chua các tạp chất không mong muốn thì hoạt tính ăn mòn hóa học của các

“ĐỀ án tốt nghiệp Bo mén : Loe hoá dâu chất hấp thụ Alkanol amin cũng tăng Vì vậy, khả năng hấp thụ của chúng thường bị hạn chế không phải bởi điều kiện cân bằng nhiệt động mà là bởi

độ bão hoà giới hạn của các chất hấp thụ bằng các khí Acid

2.2.2 Các quá trình làm ngọt khí bằng phương pháp hấp thụ vật lý

Phương pháp hấp thụ này dùng bằng dùng môi hữu cơ gồm: Propylen cacbonat (C;H,CO,;), Di Metyl Ete Polyetylenglycol (DMEPEG), N- Metyl Pirrolidon các dung môi này xử lý lượng khí chua trong khí bằng phương pháp hấp thụ vật lý

Đặc điểm chung của quá trình:

Là các dung môi này có độ hoà tan tốt ở nhiệt độ thấp, khả năng hấp thụ cao các khí chua (đặc biệt là khí CO,, H,S) có thể làm sạch gần như là triệt để đồng thời chúng có tính ưu việt hơn hấp thụ hóa học ở chỗ: khi áp suất riêng phần của một khí chua lớn hơn điều kiện hấp thụ > 5 Mpa nó vẫn làm việc được Dung môi này thường không sủi bọt, không ăn mòn thiết bị, nhiều chất có nhiệt độ hấp thụ thấp (< 70°C) nhiệt độ đặc thấp Đây là điều kiện quan trọng trong trường hợp áp dụng chúng ở vùng có khí hậu lạnh Khi áp suất riêng phần của các tạp chất chứa Acid cao, quá trình làm sạch khí bằng dung môi hữu cơ (phương pháp hấp thụ vật lý) có yêu cầu kinh phí đầu tư và chi phí vận hành thấp hơn đối với việc thực hiện bằng phương pháp hóa học bằng amin, do khả năng hấp thụ của khí chua và các hợp chất không mong muốn khác Việc tái sinh chất hấp thụ vật lý diễn ra của nhiều trường hợp không cần cấp nhiệt mà nhờ giảm áp suất trong hệ thống

Nhược điểm của quá trình là: các dung môi hấp thụ được sử dụng hấp thụ tương đối các Hydrocacbon, và làm sạch triệt để khí trong nhiều trường hợp chỉ thỏa mãn sau khi xử lý bổ sung bằng dung môi alkanolamin

2.2.3 Làm ngọt bằng dung môi tổ hợp

(hqưm (ăn Chinft 23 Lop: Loe hod dầu k46

Dung môi tổ hợp gồm Alkanol amin dung dịch nước với dung môi hữu

cơ như Sunfolan, Metanol và dựa trên sự hấp thụ vật lý của các hợp chất không mong muốn bằng dung môi hữu cơ và tương tác hóa học với Alkanol amin, là phần phản ứng tích cực của chất hấp thụ Các quá trình này kết hợp được nhiều ưu điểm của chất hấp thụ Các quá trình này kết hợp được nhiều

ưu điểm của hấp thụ vật lý và hóa học Chúng có thể được sử dụng để làm

sạch triệt để khỏi những khí chua H;S , CO; , COS, CS, và Mecaptan

Quá trình tuy có nhiều ưu điểm, có thể bổ sung cho nhau một cách hoàn hảo, nhưng nó không thể không có nhược điểm do các dung môi được

sử dụng, hấp thụ đáng kể các Hydrocacbon (đặc biệt là các Hydrocacbon vòng thơm tan tốt) Điều này làm hạn chế khả năng ứng dụng các quá trình hấp thụ vật lý và hóa học bởi vì để loại trừ sự thâp nhập số lượng lớn Hydrocacbon nặng vào nguyên liệu của hệ thống sản xuất lưu huỳnh và trong thành phần của nhà máy chế biến khí cần phải có máy và thiết bị tách Hydrocacbon nặng khỏi khí nguyên liệu hoặc khí Acid trước khi đến hệ thống sản xuất lưu huỳnh (trong công nghệ cần có giai đoạn thu hồi các Hydrocacbon nặng bị cuốn theo bằng cách cho Hydrocacbon khi đã sạch quay vòng lại từ dưới lên trên dung môi đi từ trên xuống trong một tháp tiếp xúc, các Hydrocacbon sẽ bị cuốn theo dòng khí, còn dung môi bão hoà khí Acid, và các hợp chất chứa lưu huỳnh khác được đưa sang tháp tái sinh) Tuy nhiên điều này không phải lúc nào cũng đóng vai trò chủ đạo liên quan đến việc chọn qú trình sử lý khỏi H;S và các hợp chất chứa lưu huỳnh và chất không mong muốn khác mà kèm theo đó là chi phí đầu tư và hoạt động bổ sung trong quá trình vận hành Các quá trình hấp thụ vật lý có thể kinh tế hơn, là do các dung môi hữu cơ đảm bảo thu hồi chọn H;S trong sự có mat của CO; và cho phép thu hồi tốt cho sản phẩm lưu huỳnh khi tỷ lệ H,S: CO, Trong những điều kiện nhất định, các quá trình này có một số ưu điểm ma chỉ có thể phát hiện trên cơ sở phân tích kinh tế — kỹ thuật cao khỏi HS,

Đồ án tốt ngiiệp Bé min : Loe hod déu

CO, , Mecaptan va các hợp chất không mong muốn khác dựa trên hấp thụ hóa học và vật lý

Ở bảng I1 trình bày tóm tắt một số quy trình công nghệ làm ngọt khí

Alkacol - Fluor Propylencacbonat

MEA Mon Etanol amin - Selecsol | DiMetyl ete Polyetlenglycol

(DMEPEG), N — MetylPi

rrolidon (NMP) DEA Di Etanol amin

ADIP Di Izopropanol

amin

Ekonamin Di Glycol amin Sun finol | Hỗn hop dung dịch nước Di

Tzopropanol amin va Sunfolan

Kalycacbonat thông | K;CO; nóng chảy

(#) Tên gọi phần hoạt động của dung môi, dung môi là nước

Các tiêu chuẩn cơ bản trong việc chọn chấp hấp thụ cũng như quá trình hấp thụ tương ứng là:Nồng độ đầu và nồng độ cuối của các tử không mong muốn trong khí và áp suất làm việc cho trước trong hệ thống hoặc áp suất riêng phân đâu và cuối của chúng trong điều kiện làm sạch Áp suất ban đâu xác định hệ thống tuân hoàn của chất thụ thụ (lưu lượng riêng).Áp suất liên phần cuối (mức độ làm sạch) phụ thuộc trước hết vào mức độ tái sinh chất hấp thụ và áp suất cân bằng của khí được hấp thụ trên bề mặt dung môi

ở nhiệt độ xác định chủ yếu dựa vào hệ số tuần hoàn và điều kiện tái sinh của dung môi hấp thụ Vì vậy, tính kinh tế của quá trình được xác định trong khí nguyên liệu (khí chua) và khí đã làm sạch khí ngọt Trên cơ sở những dự liệu này người ta có thể đánh giá dung môi nào trong các dung môi hấp thụ hóa học theo vật lý được ứng dụng hợp lý nhất đối với điều kiện cho trước, sau

đó phải xét đến tính đặc thù của các tạp chất chứa trong khí và các phương

án tương tác có thể có của chúng với dung môi hấp thụ, từ đó mới có thể

chọn lựa quá trình thuận lợi để tiến hành khảo sát kinh tế ,kỹ thuật

Tất cả các quy trình công nghệ được nêu trong bảng II.I ngoại trừ quy trình Vetrocokk, đều dựa trên nguyên tắc hấp thụ hóa học hay vật lý các chất chứa lưu huỳnh, oxy không mong muốn và giải hấp chúng từ chất hấp thụ, đưa khí Acid chứa H;S đến hệ thống sản xuất lưu huỳnh kiểu Clase Quy trình Vetrocokk dựa trên nguyên tắc hấp thụ H;S bằng dụng môi hấp thụ hóa học và ôxy hóa trong thiết bị tái sinh thành lưu huỳnh nhờ sự có mặt của phụ gia hoạt tính trong chất hấp thụ và Oxy đi vào đáy tháp tái sinh cùng với không Quy trình làm ngọt khí Vetrocokk thường được sử dụng làm sạch khí với nồng độ H;S thấp

2.3 Quy trình làm ngọt khí bằng dung môi Alkanol amin

Quy trình công nghệ làm ngọt khí bằng các dung môi Alkanol amin được sự thừa nhận và ứng dụng rộng rãi trong công nghệ chế biến khí tự

“ĐỀ án tốt nghiệp Bo mén : Loe hoá dâu nhiên khí đồng hành và khí trong nhà máy lọc dầu Khi áp suất riêng phần của các khí chua thấp và trung bình thì khả năng hấp thụ của các Alkanol amin tăng theo tỷ lệ H;S và CO,

2.3.1 Tính chất chung và các qúa trình làm ngọt khí của các Alkanol

amin

* Tính chất:

Các Alkanol amin luôn được sử dụng làm dung môi hấp thụ hóa học

để làm ngọt khí là: Mon Etanol amin (MEA), Di Etanol amin (DEA), Di

Izopropanol amin (DIPA), Di Glycol amin (DGA) Nghiên cứu cấu trúc phân tử của các Alkanol amin ta thấy nó có cấu trúc tương tự với NH¡ Về nguyên tắc cũng có thể dùng NH; để loại các khí Acid ra khỏi Hydrocacbon những NH; bay hơi rất mạnh Do vậy, gây khó khăn cho quá trình vận hành

và tổn thất lớn do sự bay hơi của nó

Bảng II.2 các amin dùng để hấp thụ khí axít

Bảng I3 Một số tính chất hóa lý cơ bản của các Alkanol amin

Khối lượng phân tử 61 105.1 133.2 105.1 Khoi Lugng riéng, kg/m* 1018 1090 989 1055

Nhiệt độ sôI,°C ở áp suất Pa

độ hoà tan trong nước ở 20°%C,%kl_ | Hoàn toàn 96.4 87 Hoan toan

Nhiệt hoá hơi 6 1.10°Pa,j/kg 1486.4 1205.9 722.5 917.4

Mono etanolamin (MEA) 1a amin c6 tinh bazo manh nhat trong các

Alkanol amin ding lam dung môi hấp thụ trong các quy trình làm ngọt khí

Ở nhiệt độ thấp nó có thể phản ứng rất nhạy với các Acid, nó phản ứng được

cả với H;S và CO; MEA có khối lượng phân tử nhỏ nhất trong các Alkanol amin nên nhiệt tỏa ra trong phản ứng hấp thụ các khi axit là lớn nhất trong các Alkanol amin khác Đồng thời MEA bên về mặt hóa học, dung dịch MEA ít bị phân huỷ, MEA phản ứng không thuận nghịch với các Cacbonyl Sunfua (COS) và Cacbondisunfua CS; tạo thành các sản phẩm bền không tái sinh được hoặc khó tái sinh Vì vậy, gây tổn thất một lượng lớn dung môi hấp thụ (nếu khí nguyên liệu có chứa nhiều COS, CS,) Mặt khác, MEA có

áp suất hơi bão hoà cao nhất trong các Alkanol amin, áp suất hơi bão hoà của MEA lớn hơn gấp 30 lần so với áp suất hơi bão hoà của DEA và 300 lần so

“ĐỀ án tốt nghiệp Bo mén : Loe hoá dâu với TEA Do đó, trong quá trình vận hành thường bị tổn hao một lượng dung dịch MEA đáng kể do bay hơi

DiEtanol (DEA) là một bazơ yếu hơn so với MEA, cũng bên về mặt hóa học DEA phản ứng được với H;S và CO; những phản ứng của nó kém hơn so với MEA DEA cũng phản ứng với COS, CS; nhưng các phản ứng này xảy ra chậm hơn so với MEA

-_ Quá trình làm ngọt khí bằng dung dịch Di Glycoly amin (DGA),

quá trình này được ứng dụng để loại bỏ triệt để H;S và CO;, nếu dùng DGA

thay thế cho MEA sẽ cho phép giảm lưu lượng riêng của chất hấp thụ và chi phí năng lượng là 25 — 40%

- _ Quá trình kết hợp đồng thời vừa làm ngọt vừa làm khô khí, dùng dung môi là dung dịch MEA hoặc DEA với Glycol

- Quá trình làm ngọt khí bằng dung dịch TriEtanol (TEA), quá trinh này được giới chuyên môn đánh giá là không hiệu quả và hiện nay được thay thế bởi quá trình MEA và DEA

- Quá trình làm ngọt khí bằng dung dịch Di IzoPropanol amin (ADIP), quá trình được ứng dụng làm ngọt khí tự nhiên và khí dầu mỏ, vì nó

có chi phí vận hành thấp hơn so với quá trình MEA

- Quá trình làm ngọt khí bằng dung dịch Metyl Dietanol amin

(MDEA), quá trình đặc biệt được chú ý, do tính chọn lọc của nó cao, khi

phản ứng với H;S trong sự có mặt của CO:

(hqưm (ăn Chinft 29 Lop: Loe hod dầu k46

Trong quá trình làm ngọt khí của các Alkanol amin đã nêu trên, thì các quá trình MEA, DEA và ADIP thì được ứng dụng nhiều nhất để làm ngọt khí tự nhiên và khí đồng hành

5

Sơ đồ nguyên lý công nghệ hấp thụ bằng MEA