Công nghệ chế biến khí Chương 1 các khái niệm cơ bản

Trang 1

CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN KHÍ

TS Nguyễn Mạnh Huấn

Trang 2

bị cho công nghiệp khí thiên nhiên.

Trang 3

Mục tiêu của học phần

Sau khi hoàn tất học phần sinh viên có khả năng:

- Nắm được kiến thức tổng quan về khí thiên nhiên, công nghệ chế biến

khí, vận chuyển – lưu trữ khí

- Có thể làm việc trong ngành công nghiệp chế biến khí thiên nhiên và khí

dầu mỏ

- Một số công ty chuyên về khí: PetroVietnam Gas, các công ty khai thác,

thăm dò, khoan, an toàn, dịch vụ : PVEP, PVdrilling, PTSC Các nhà thầu Truongson JOC (JOINT OPERATING COMPANY ), Cuulong JOC, Lamson JOC, Petronas, KNOC (Korea National Oil Corporation )

Đạm Phú Mỹ

Trang 4

ĐỀ CƯƠNG

Trang 5

Chương 2: Trạng thái pha, phương pháp xác định cân bằng pha và tính chất nhiệt động của các hydrocacbon

2.1 Giản đồ pha và ứng dụng

2.1.1 Giản đồ P – T cho đơn chất

2.1.2 Giản đồ P – T cho đa phân tử

2.1.3 Ứng dụng giản đồ pha

2.2 Các phương trình trạng thái cơ bản của khí hydrocacbon.

2.3 Cân bằng pha của hệ các hydrocacbon

2.3.1 Các phương trình cơ bản xác định độ bay hơi và hệ số hoạt động của các hydrocacbon2.3.2 Xác định hệ số cân bằng pha của các hydrocacbon bằng phương pháp phân tích

2.3.3 Xác định hệ số cân bằng pha của các hydrocacbon bằng phương pháp đồ thị

2.4 Tính chất nhiệt động của các đơn chất và hợp chất

2.4.1 Nhiệt độ sôi và áp suất hơi bão hòa

2.4.2 Nhiệt độ, áp suất và thể tích tới hạn

2.4.3 Thừa số không tâm

Trang 6

3.3.3 Thay đổi nhiệt độ trong ống

dẫn khí

3.4 Ống cho hỗn hợp khí - lỏng

3.4.1 Khái niệm chung 3.4.2 Ống nằm ngang 3.4.3 Ống thắng đứng

3.5 Xây dựng đường ống dẫn khí

3.5.1 Đường ống và vật liệu 3.5.2 Các công việc thực hiện trong quá trình lắp đặt

3.5.3 Trạm máy nén và máy bơm

3.6 Vận chuyển và lưu trữ khí

3.6.1 Mô hình sơ đồ vận chuyển khí 3.6.2 Cân bằng kinh tế đối với ống dẫn khí

3.6.3 Lưu trữ khí

ĐỀ CƯƠNG

Trang 7

4.2 Làm sạch H2S, CO2 và các hợp chất lưu huỳnh

4.2.1 Khái niệm chung4.2.2 Làm sạch khí bằng dung môi 4.2.3 Lựa chọn dung môi làm sạch khí khỏi H2S, CO24.2.4 Sơ đồ công nghệ của quá trình xử lý bằng phương pháp ngưng tụ ở nhiệt

độ thấp

4.3 Chế biến khí bằng phương pháp hấp phụ

4.4 Chế biến khí bằng phương pháp chưng cất nhiệt độ thấp 4.5 Ứng dụng các quá trình chế biến khí khác nhau

ĐỀ CƯƠNG

Trang 8

Chương 5: Chế biến Condensate

5.1 Đường ngưng tụ khí thiên nhiên và khí đồng hành 5.2 Sơ đồ công nghệ thu hồi và chế biến condensate 5.3 Công nghệ chế biến condensate

Chương 6: Tính toán một số quá trình cơ bản

6.1 Thiết kế các quá trình cơ bản 6.2 Mô hình toán học và tính toán sơ đồ công nghệ chế biến

khí

Chương 7: Thiết bị chế biến khí

7.1 Thiết bị đo và điều khiển 7.2 Thiết bị cho nhà máy chế biến khí

ĐỀ CƯƠNG

Trang 9

Tài liêêu

- Sách, giáo trình chính

[1] Công nghệ chế biến khí, Khoa công nghệ hóa học, trường ĐHCN TPHCM.

[2] Công nghệ chế biến khí thiên nhiên và khí dầu mỏ, trường BK TPHCM

- Sách tham khảo

[1] John M Campbell, Gas Conditioning and Processing Volume 1 The Basic Principle.

[2] John M Campbell, Gas Conditioning and Processing Volume 2 The equipment modules [3] John M Campbell, Gas Conditioning and Processing Volume 3 Advanced techniques and

Trang 10

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1 Các khái niệm về khí thiên nhiên

1.1.1 Nguồn gốc

1.1.1.1 Nguồn gốc vô cơ

Theo giả thuyết này trong lòng Trái đất có chứa các cacbua kim loại như Al4C3, CaC2 Các chất này bị phân hủy bởi nước để tạo ra CH4 và C2H2:

Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + C2H2Các chất khởi đầu đó (CH4, C2H2) qua quá trình biến đổi dưới tác dụng của nhiệt độ, áp suất cao trong lòng đất và xúc tác là các khoáng sét, tạo thành các hydrocacbon có trong dầu khí.

Nhược điểm:

• Đã phân tích được (bằng các phương pháp hiện đại) trong dầu mỏ có chứa các

Porphyrin có nguồn gốc từ động thực vật.

• Trong vỏ quả đất, hàm lượng cacbua kim loại là không đáng kể.

• Các hydrocacbon thường gặp trong các lớp trầm tích, tại đó nhiệt độ ít khi vượt quá 150 – 200oC (do áp suất rất cao), không đủ nhiệt độ cần thiết cho phản ứng hóa học xảy ra.

Trang 11

1.1.1.2 Nguồn gốc hữu cơ

Các protein, chất béo, rượu cao phân tử, sáp, dầu, nhựa qua hàng triệu năm biến đổi sẽ tạo thành các hydrôcacbon ban đầu:

RCOOR’ + H2O ↔ RCOOH + R’OH RCOOH → RH + CO2

RCH2OH → R’-CH=CH2 + H2O R’-CH=CH2 + H2 → R’-CH2-CH3

Thuyết nguồn gốc hữu cơ của dầu mỏ cho phép giải thích được nhiều hiện tượng trong thực tế:

dầu mỏ ở các nơi hầu như đều khác nhau, sự khác nhau đó có thể là do vật liệu hữu cơ ban đầu Ví dụ, nếu vật liệu hữu cơ ban đầu giàu chất béo thì

có thể tạo ra loại dầu parafinic…

Trang 12

Northsea (West Sole)

Abu Dhabi (Zakum)

North Sea (Forties) North Sea

85.3

5.82.00.81.9

6.10.20.2

83.5

7.02.00.80.4

1.044,94,49

46.2

5.22.00.60.1

1.20.50.5

94.3

3.10.50.20.2

0.72.30.6

72.0

13.96.52.61.4

1.20.70.7

46.5

13.219.810.68.0

0.90.90.9

74.0

12.47.52.91.4

Bảng 1.1 Thành phần của các loại khí thiên nhiên

Trang 13

1.1.2 Đặc điểm và thành phần của khí thiên nhiên

1.1.2.1 Đặc điểm.

• Khí thiên nhiên được khai thác từ giếng khí hay dầu.

• Tùy thuộc vào đặc tính của từng giếng mà khi khai thác có những tạp chất và thành phần khác nhau

• Khí thiên nhiên là khí không màu, không mùi (có mùi là do mecaptan cho vào).

• Khí thiên nhiên có tính cháy sạch.

• Thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên là metan (CH4).

• Tỷ trọng của khí thiên nhiên đối với không khí dao động trong khoảng rộng từ 0,55 - 1,1.

• Nhiệt cháy cao.

Trang 14

1.1.2.2 Thành phần của khí thiên nhiên

- Gồm 2 thành phần chính: hydrocacbon và không hydrocacbon.

• Hydrocacbon: chủ yếu từ C1 - C4, C4 - C7 ít hơn.

• Không hydrocacbon: H2O (hơi, lỏng), N2, CO2, H2S, COS, CS2, RSH, H2, He… -Phần không hydrocacbon có một số là tạp chất mà trong quá trình chế biến cần phải tách chúng nếu không sẽ ảnh hưởng trong quá trình làm việc.

• H2O:

* Làm tăng quá trình ăn mòn khi có mặt CO2

* Ảnh hưởng đến hệ thống làm việc như tạo hyđrat, đóng băng gây tắc nghẽn đường ống làm giảm công suất vận chuyển.

• Nitơ: trơ, không ăn mòn.

• CO2: có tính axit gây ăn mòn.

• H2S: có tính axit gây ăn mòn.

• H2: không là tạp chất.

• He: trơ, thu hồi vì có giá trị.

Thường loại CO2, H2O, H2S.

Trang 15

1.1.2.2 Thành phần của khí thiên nhiên

Khí

thiên

nhiên

Propan (C3) Butan

Phân đoạn nặng

LPG – Liquified Petrolium Gas NGL – Natural Gas Liquids LNG – Liquified Natural Gas SNG – Synthetic Natural Gas

Etan (C2)

NGL

Trang 16

1.1.2 Phân loại khí thiên nhiên: có nhiều cách phân loại khác nhau

1.1.2.1 Theo nguồn gốc: có 2 loại

a Khí không đồng hành (Unassociaed Natural Gas): là khí được khai thác từ giếng khí hoặc

giếng khí - condensate hay giếng khí - dầu (trong đó dầu chiếm tỷ lệ thấp).

Mỏ khí (gas well), Mỏ khí - dầu, Mỏ khí – condensate: Đặc điểm của mỏ này là nhiệt độ cao

(80 – 100oC) và áp suất cao (P ≥ 3.107Pa) Trong quá trình khai thác, khí đến đầu miệng giếng sẽ giảm áp suất và nhiệt độ khiến phần dầu bị ngưng tụ gọi là condensate, tách ra khỏi khí thiên nhiên, thường là C5+.

Đặc điểm của khí không đồng hành

Thành phần mêtan là chủ yếu 70 - 95%, C2 – C5 chiếm tỉ lệ rất thấp

Thành phần khí tương đối ổn định, ít thay đổi theo điều kiện lấy mẫu.

Tỷ khối so với không khí thấp: 0,55 – 0,65.

b Khí đồng hành (Associated Natural Gas): là khí hòa tan trong dầu, lôi cuốn theo dầu trong

quá trình khai thác và được tách ra khỏi dầu sau đó Khí đồng hành thường được khai thác từ các mỏ dầu hoặc các mỏ dầu – khí trong đó dầu nhiều hơn khí

Đặc điểm của khí đồng hành:

Hàm lượng metan thấp hơn khí không đồng hành, hàm lượng C3, C4 và condensate chiếm tỷ

lệ đáng kể.

Thành phần khí thay đổi nhiều tùy theo điều kiện lấy mẫu.

Tỷ khối so với không khí cao: ≥ 1

Trang 17

Hình 1: Phân loại khí theo nguồn gốc

Trang 18

1.1.2.2 Theo thành phần C3+

- Khí khô (dry gas): thành phần khí chủ yếu là metan, không chứa hoặc chứa rất ít các

hydrocacbon C3+ Khí khô còn được gọi là khí nghèo hay khí gầy (lean gas) Khí thiên nhiên được khai thác từ các mỏ khí thuộc loại khí khô.

- Khí ướt (wet gas): ngoài thành phần chủ yếu là mêtan còn có chứa một lượng đáng kể

C3+ Khí ướt còn được gọi là khí béo hay khí giàu Khí khai thác từ các mỏ khí - condensate và khí đồng hành có chứa một lượng đáng kể C3+ nên thuộc loại khí béo.

Hàm lượng C3+ ≤ 50 g/m3: khí khô, khí gầy.

50 g/m3 < hàm lượng C3+ < 400 g/m3: khí trung bình.

Hàm lượng C3+ ≥ 400g/m3: khí béo, khí ướt.

1.1.2.3 Theo hàm lượng khí axit.

- Khí ngọt (sweet gas): hàm lượng H2S ≤ 1/4 grains/100sft3 hay hàm lượng H2S ≤ 6mg

Trang 19

Hình 2: Sơ đồ công nghệ chế độ GPP – Gas Processing Plant –

NM khí Dinh Cố

Trang 20

1.2.1 Module xử lý khí

Nhiệm vụ dùng để tách các tạp chất trong khí : H2O, các hợp chất chứa lưu huỳnh (H2S,

COS, RSH, CS2…), CO2, N2, O2 và tạp chất cơ học, hydrate, asphaltenes, bụi … Được xử lý bằng các quá trình:Hấp thụ (absorption), Hấp phụ (adsorption), Quá trình ngưng tụ

(condensation)

1.2.2 Module xử lý dầu thô (Crude oil Treating Module)

Module này có nhiệm vụ xử lý để đạt tiêu chuẩn sau: tạp chất cơ học và nước (basic

sediment and water), áp suất hơi, muối (Salt), hàm lượng lưu huỳnh (Sulfur Content) BS &

W là một tiêu chuẩn quan trọng nhằm giới hạn hàm lượng nước tự do trong dầu thô (BS &

W = 0,3 – 3% thể tích)

1.2.3 Module xử lý nước

Nước thải sẽ được xử lý để đạt các tiêu chuẩn về môi trường Hàm lượng hydrocacbon,

chất rắn tự do, chất rắn hòa tan (CaCO3, NaCl, BaSO4)

- Chỉ tiêu về hàm lượng hydrocacbon (HC) là rất quan trọng nếu như nước thải sau đó đổ ra biển ví dụ quy định về hàm lượng hydrocacbon ở North Sea trong nước thải ở các giàn

khoan nhỏ hơn 40ppm

- Sự tách hydrocacbon nước thực hiện bằng lắng trọng lực, ly tâm, kết hợp

- Chất rắn tự do chỉ cần tách nếu đem sử dụng lại (tách bằng phương pháp lắng, lọc, ly

tâm)

- Chất rắn hòa tan phải được xử lý đến mức của chúng có trong môi trường

1.2 Sơ đồ tổng quát quá trình khai thác và chế biến khí

Trang 21

1.2.5 Module ổn định (Stabilization Module)

Nhiệm vụ: ổn định NGL trong nhà máy chế biến khí, dễ dàng trong tồn trữ và vận chuyển, ta tiến hành các quá trình sau: Demetan hóa và deetan hóa

1.2.6 Module xử lý sản phẩm (Product Treating Module)

Tách CO2 lẫn trong C2, C2+: không dùng chưng cất (vì tạo thành điểm đẳng khí), dùng phương pháp hấp thụ bằng dung dịch amin (DEA)

Tách các hợp chất lưu huỳnh trong LPG: H2S, COS, CS2 và mercaptan, nếu hàm lượng nhỏ hơn 100 ppm xử lý bằng phương pháp hấp thụ phân tử

1.2 Sơ đồ tổng quát quá trình khai thác và chế biến khí

Trang 22

Hình 3: Các sản phẩm chính đi từ khí thiên nhiên

1.3.1 Ứng dụng của khí thiên nhiên

1.3 Ứng dụng của khí thiên nhiên - một số tiêu chuẩn đối với các sản phẩm từ khí

Trang 23

1.3.2 Một số sản phẩm đi từ khí thiên nhiên

đến áp suất cần thiết cho quá trình vận chuyển (trong đó etan là sản phẩm nhẹ nhất của NGL có Ts = -880C)

C3+, C4+ tùy theo điều kiện chế biến khí Từ NGL bằng chưng cất phân đoạn có thể thu được nhiều sản phẩm: etan, LPG (propan, butan, hỗn hợp Bu - pro), xăng thiên nhiên

được gọi là khí thiên nhiên hóa lỏng Thường thì khí thiên nhiên C1 được nén và làm lạnh ở 269OF

(-1670C) thành lỏng và giảm thể tích để dễ bảo quản và vận chuyển

thường, LPG ở trạng thái hơi nhưng ở nhiệt độ và áp suất xác định nó ở dạng lỏng Khi đó thể tích của

nó giảm đi và chỉ còn từ 1/235 đến 1/275 lần so với thể tích ở dạng hơi

các phân đoạn BTX …

Trang 24

1.3.3 Một số tiêu chuẩn đối với khí cho thị trường

a Nhiệt trị (Heating value): được định nghĩa là tổng lượng nhiệt được giải phóng khi đốt cháy khí một đơn

vị thể tích hay một đơn vị khối lượng ở đktc Có 2 loại nhiệt trị:

- Nhiệt trị tổng (Gross Heating Value): là tổng lượng nhiệt sinh ra trong quá trình đốt cháy khí với lượng

không khí lý thuyết, trong đó nước sinh ra được làm lạnh và ngưng tụ thành lỏng ở điều kiện chuẩn (150C và

1106 mbar)

- Nhiệt trị thực (Net Heating Value): là tổng lượng nhiệt sinh ra trong quá trình đốt cháy khí trong đó nước

sinh ra vẫn tồn tại ở trạng thái hơi

- Đơn vị sử dụng cho nhiệt trị thường là MJ/m3 hoặc Btu/ft3, 1000 Btu/ft3 bằng 32,7 MJ/m3

- Nhiệt trị tổng của khí thường trong khoảng 35 - 45 MJ/m3

b Hàm lượng lưu huỳnh (Sulfur content): hàm lượng lưu huỳnh cần phải giới hạn để tránh ăn mòn, tính độc hại và mùi khi khí được đốt cháy Hàm lượng H2S cho phép khoảng 4 ppm (khoảng 0,25g/100ft3) Hàm lượng lưu huỳnh tổng trong khí thường cao hơn, do khách hàng qui định và thường qui đổi sang hàm lượng

e Điểm sương theo hydrocacbon: Tiêu chuẩn được xác định như là nhiệt độ điểm sương đối với hydrocacbon cực đại cho phép ở áp suất cho trước Tiêu chuẩn này thay đổi tùy theo khí hậu và yêu cầu của khách hàng Ở Bắc Mĩ và Châu Âu, giá trị này thường là -100 ÷ 00C

f Các khí trơ: gồm có N2, He, Ar trong đó N2 là khí trơ quan trọng nhất Hàm lượng N2 trong khí thường được giới hạn không quá 1 – 2% thể tích Hàm lượng N2 ảnh hưởng đến nhiệt trị

g CO 2: Cacbondioxide cũng là một khí trơ nhưng được qui định riêng vì khác với các khí trơ khác, CO2 có khả năng ăn mòn khi có mặt của nước Hàm lượng CO2 tối đa thường được qui định là 2% thể tích

Trang 25

1.3.4 Một số tiêu chuẩn cho các sản phẩm lỏng từ khí

- Xăng thiên nhiên (Natural gasoline): C5+

Áp suất hơi (RVP): 70 – 235 kPa (10 – 34 psia)

% thể tích bay hơi ở 600C (1400F): 25 – 85%

% thể tích bay hơi ở 1350C (2750F): min 90%

Điểm sôi cuối: max 1900C (3750F)

Ăn mòn: không ăn mòn trong phép thử

Màu: không nhỏ hơn 25 (theo phương pháp Saybolt)

- Etan thương phẩm: đây là nguồn nguyên liệu hóa học dùng trong sản xuất nhựa và các sản phẩm khác Các tiêu chuẩn đối với etan thương phẩm thay đổi khác nhau nhưng thường rất khắc khe đối với các tạp chất có thể ảnh hưởng đến quá trình sử dụng Sự hạn chế hàm lượng CO2 và CH4 ở trong etan thương phẩm đặc biệt quan trọng

- Propan thương phẩm và Butan thương phẩm

Propan thương phẩm là hỗn hợp có thành phần chủ yếu là propan và hoặc propylen Propan thương phẩm cần đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng như áp suất hơi, nhiệt trị hàm lượng S tổng, hàm lượng cặn, độ ẩm, hàm lượng các hợp chất ăn mòn, mùi …

Butan thương phẩm là hỗn hợp có thành phần chủ yếu là butan và hoặc butylen

- Hỗn hợp Propan - Butan (LPG): hỗn hợp này phải có áp suất không cao hơn so với propan thương phẩm ở 380C và có nhiệt độ bay hơi 95% thể tích tương đương với butan LPG cũng cần đáp ứng các tiêu chuẩn về độ sạch như đối với butan Đối với PLG dùng làm chất đốt, thành phần của hỗn hợp này được thay đổi khác nhau để đảm bảo tính chất bay hơi của các hỗn hợp trong các mùa khác nhau Tuy nhiên áp suất hơi của hỗn hợp bu - pro thương phẩm ít khi vượt quá 860 kPa (dư) tương đương 125 psia ở 380C (1000F)

Định dạng
Số trang	30
Dung lượng	1,11 MB