Thiết kế tháp hấp phụ v06 AB dựa trên chế độ công nghệ nhà máy xử lý khí dinh cố (chế độ GPP) côn

Không riêng gì Việt Nam, hiện nay trên thế giới vấn đề năng lượng rất được quan tâm và chú trọng phát triển. Bởi năng lượng luôn được xem là huyết mạch của một quốc gia, nó tác động tích cực đến việc phát triển kinh tế cũng như quốc phòng. Việt Nam là nước giàu tiềm năng về dầu khí, tuy chỉ mới bước đầu khai thác và phát triển, tiềm năng về khai thác và chế biến dầu chưa thật sự phát triển. Tuy nhiên, nền công nghiệp dầu khí cũng đạt được nhiều kết quả to lớn, đáp ứng nhu cầu tiêu dùng trong nước. Hiện tại ở Việt Nam đã hình thành nên nhiều tập đoàn dầu khí như: Vietsopetro, PetroVietnam, SaigonPetro. Được đầu tư và sự quan tâm đặc biệt của chính phủ Việt Nam, năng lượng nói chung và năng lượng khí nói riêng phát triển với tốc độ khá nhanh và bền vững. Tháng 10 năm 1998 nhà máy xử lý khí Dinh Cố đi vào hoạt động, đánh dấu bước phát triển vượt bậc của ngành công nghiệp dầu khí Việt Nam. Nhà máy xử lý khí Dinh Cố thuộc công ty PV GAS là đơn vị trực thuộc tập đoàn dầu khí quốc gia Việt Nam hoạt động trong lĩnh vực vận chuyển, chế biến và kinh doanh các sản phẩm khí. Là nơi chế biến và cung cấp toàn bộ các sản phẩm khí cho toàn bộ khu vực miền Nam cũng như trên toàn quốc. công ty đã không ngừng phát triển nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, ổn định thị trường, đáp ứng nhu cầu tiêu thụ trong nước cũng như xuất khẩu, phấn đấu trở thành đơn vị đi đầu trong việc phát triển kinh tế. Đồ án đi vào tìm hiểu và thiết kế tháp hấp phụ V06 – AB, một trong những thiết bị quan trọng trong dây chuyền công nghệ nhà máy chế biến khí Dinh Cố.

LỜI MỞ ĐẦU

Không riêng gì Việt Nam, hiện nay trên thế giới vấn đề năng lượng rất đượcquan tâm và chú trọng phát triển Bởi năng lượng luôn được xem là huyết mạch củamột quốc gia, nó tác động tích cực đến việc phát triển kinh tế cũng như quốc phòng.Việt Nam là nước giàu tiềm năng về dầu khí, tuy chỉ mới bước đầu khai thác

và phát triển, tiềm năng về khai thác và chế biến dầu chưa thật sự phát triển Tuynhiên, nền công nghiệp dầu khí cũng đạt được nhiều kết quả to lớn, đáp ứng nhucầu tiêu dùng trong nước

Hiện tại ở Việt Nam đã hình thành nên nhiều tập đoàn dầu khí như:Vietsopetro, PetroVietnam, SaigonPetro

Được đầu tư và sự quan tâm đặc biệt của chính phủ Việt Nam, năng lượng nóichung và năng lượng khí nói riêng phát triển với tốc độ khá nhanh và bền vững.Tháng 10 năm 1998 nhà máy xử lý khí Dinh Cố đi vào hoạt động, đánh dấu bướcphát triển vượt bậc của ngành công nghiệp dầu khí Việt Nam

Nhà máy xử lý khí Dinh Cố thuộc công ty PV GAS là đơn vị trực thuộc tậpđoàn dầu khí quốc gia Việt Nam hoạt động trong lĩnh vực vận chuyển, chế biến vàkinh doanh các sản phẩm khí Là nơi chế biến và cung cấp toàn bộ các sản phẩm khícho toàn bộ khu vực miền Nam cũng như trên toàn quốc công ty đã không ngừngphát triển nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, ổn định thị trường, đáp ứng nhu cầutiêu thụ trong nước cũng như xuất khẩu, phấn đấu trở thành đơn vị đi đầu trong việcphát triển kinh tế

Đồ án đi vào tìm hiểu và thiết kế tháp hấp phụ V06 – A/B, một trong nhữngthiết bị quan trọng trong dây chuyền công nghệ nhà máy chế biến khí Dinh Cố

CHƯƠNG 1 SƠ LƯỢC VỀ NHÀ MÁY XỬ LÝ KHÍ DINH CỐ

1.1 Khái quát chung

Công ty chế biến khí Vũng Tàu trực thuộc tổng công ty chế biến và kinh doanh các sản phẩm khí Việt Nam, là đơn vị trực tiếp quản lý nhà máy xử lý khí Dinh Cố, đây là nhà máy sản xuất các sản phẩm khí đầu tiên của Việt Nam, do công

ty NKK (Nhật Bản) thiết kế theo tiêu chuẩn quốc tế và công ty Samsung

Engineering Co, Ltd (Hàn Quốc) xây lắp Nằm trong dây chuyền khai thác và chế biến các sản phẩm khí, GPP có một tầm quan trọng đặc biệt đối với nguồn năng lượng trong khu vực và cả nước

Nhà máy xử lý khí Dinh Cố được xây dựng tại xã An Ngãi, huyện Long Điền, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu Việc xây dựng nhà máy đã tận dụng số lượng lớn khí đồng hành bị đốt bỏ mang lại doanh thu từ việc bán khí hóa lỏng, condensate và xuất khẩu Riêng việc các nhà máy điện ở Phú Mỹ chuyển từ dùng diezen sang dùng khí tiết kiệm mỗi ngày hàng tỷ đồng cho ngân sách quốc gia Nhà máy xử lý khí Dinh Cố cung cấp khí để sản xuất ra khoảng 40% nhu cầu điện và 30% nhu cầu phân đạm cả nước

Khí đồng hành thu gom từ mỏ Bạch Hổ dẫn về nhà máy Dinh Cố bằng đường ống đường kính 16 inch Trước kia lưu lượng khí đưa về nhà máy là 4,3 triệu

hồi khoảng 540 tấn propan/ngày, 415 tấn butan/ngày và 400 tấn condensate/ngày

được vận chuyển đến kho cảng Thị Vải (KCTV) qua 3 đường ống 6 inch Nhà máy bao gồm các cụm thiết bị chính như máy nén đầu vào, slug catcher, tháp hấp phụ tách nước, cụm thiết bị làm sạch sâu, turbo – expander, các tháp chưng cất, máy nénkhí hổi lưu, cụm thiết bị chứa sản phẩm lỏng và thiết bị phụ trợ Nhà máy được thiết

kế nhằm đảm bảo hoạt động 24/24 với hệ thống điều khiển phân tán lắp đặt trong phòng điều khiển

Nguồn nguyên liệu và thành phần:

Nguồn khí lấy từ các mỏ sau:

Đặc tính

kỹ thuật

giao và chế độ vận hành bình thường , nhỏ hơn

giao và chế độ vận hành không qua máy nén, nhỏ

( Theo biểu mẫu kiểm tra đặc tính nguyên liệu NCPT.CAM 007.05/F1)

Bảng 1.1.3 Đặc điểm của khí đồng hành từ mỏ Bạch Hổ

ST

Đơn vịtính

Đặc tính

kỹ thuật

;neo-undercanes; đodercanesplus

oC và

(Theo biểu mẫu kiểm tra đặc tính nguyên liệu NCPT.CAM 007.05/F2)

Bảng 1.1.4 Đặc tính kỹ thuật khí và condensate đầu vào nhà máy Dinh Cố

STT Tên chỉ tiêu Đơn vị tính Đặc tính kỹ thuật

nhỏ hơn

(Theo biểu mẫu kiểm tra đặc tính nguyên liệu NCPT.CAM 007.05/F3)

Sản phẩm của quá trình xử lý là các sản phẩm có giá trị kinh tế cao:

Rịa

Các sản phẩm của nhà máy:

nhiên liệu, nguyên liệu cho sản xuất vật liệu xây dựng, tổng hợp hữu cơ

hydrocacbon có phân tử lượng lớn hơn propan và butan, hợp chất vòng, nhân thơm

Ở Việt Nam có 2 loại: 1 loại tách từ bình lỏng đặt tại giàn khoan, loại thứ 2 được ngưng tụ trong quá trình vận chuyển trên đường ống chúng dùng làm nhiên liệu, làm dung môi và các sản phẩm hóa dầu

máy sản xuất gốm…

Thông số kỹ thuật của sản phẩm:

Bảng 1.1.5 Thông tin sản phẩm khí khô

Nhà máy điện nói chung

Áp suất tối thiểu

Nhiệt độ 20oC trên điểm sương

Hàm lượng etan 2% thể tích, max 2% thể tích, max

Bảng 1.1.8 Chỉ tiêu kỹ thuật cần đạt được của LPG

ASTMD1267-95

ASTMD2784-98

Khôngcó

Khôngcó

Khôngcó

Quan sát bằngmắt thường4

số liệubáo cáo

ASTMD1657-916

Thành phần

ASTMD2163-91

số liệu

( Theo biểu mẫu kiểm tra đặc tính sản phẩm NCPT.CAM 007.03/F1)

Bảng 1.1.9 Các thông số kỹ thuật của condensate

Bảng 1.1.10 Chỉ tiêu cần đạt được của Condensate

quả

Phươngpháp

Chưng cấtIBP

10 %

50 %

90 %FBP

0C

364556107149

D-86

Cặn và hao hụt:

- Áp suất hơi bão hòa ở 37,80C

- Hàm lượng lưu huỳnh, S

% VOLKPa

% W

2,075,50,01

Hiện nay lượng LPG do nhà máy cung cấp khoảng 150000 tấn/năm.Condensate thu được từ nhà máy sẽ được chuyển đến nhà máy xử lý condensate ThịVải để tiếp tục xủ lý.

Condensate được sử dụng chủ yếu để pha chế xăng, dung môi pha sơn, dungmôi trong công nghiệp, DO, FO

1.2 Nguyên lý vận hành

Khí ẩm cung cấp cho nhà máy từ hai nguồn Bạch Hổ và Rạng Đông phụ thuộc vào việc khai thác dầu thô Do đó có sự chênh lệch giữa nhu cầu tiêu thụ khí khô và khả năng cung cấp khí ẩm Do đó vận hành nhà máy tuân thủ một số quy tắc sau:

khơi Khi nhu cầu tiêu thụ khí nhỏ hơn lượng khí thu gom được ngoài khơi thì nhà máy vẫn tiếp nhận tối đa, lượng khí dư sau khi đã được xử lý thu gom phần lỏng sẽ được đốt bỏ

trường hợp nhu cầu tiêu thụ khí khô cao hơn lượng khí cung cấp từ ngoài khơi, việc cung cấp khí được ưu tiên hơn việc thu hồi sản phẩm lỏng Tăng cường thu hồi LPG

1.3 Các chế độ vận hành

Khi bắt đầu xây dựng nhà máy, do đòi hỏi cao về tiến độ trong khi một số thiết bị không đáp ứng kịp, việc xây dựng và đưa nhà máy vào hoạt động được chia làm 3 giai đoạn:

tách để thu hồi khoảng 340 tấn condensate/ngày từ lưu lượng khí ẩm khoảng 4,3

chưng cất, một máy nén piston chạy khí 800Kw, 3 thiết bị trao đổi nhiệt và 3 bình tách để thu hồi hỗn hợp Bupro khoảng 30 tấn/ngày và condensate khoảng 380 tấn/ngày

- Giai đoạn GPP với đầy đủ các thiết bị như thiết kế để thu hồi 540 tấn propan/ngày, 415 tấn butane/ngày và 400 tấn condensate/ngày GPP bao gồm các thiết bị của MF bổ sung thêm 1 turbo expander 2200Kw, máy nén piston 2 cấp chạy khí

1200 Kw, 2 tháp chưng cất, cac thiết bị trao đổi nhiệt, quạt làm mát và các thiết bị khác

Sau khi hoàn tất chế độ GPP, tùy vào điều kiện hoàn cảnh mà sử dụng các chế độ một cách linh hoạt Trong điều kiện bình thường nhà máy sẽ vận hành ở chế

độ GPP để thu hồi sản phẩm lỏng tối đa Các chế độ khác chỉ sử dụng khi có thiết bịkhác shutdown hoặc khi phải hạn chế sản xuất sản phẩm lỏng các chế độ chuyển đổi cũng không hoàn toàn giống các chế độ trong giai đoạn xây dựng do các thiết bịthuộc các chế độ khác vẫn có thể sử dụng kêt hợp

Khí C1, C2, C3, C4, Bupro, condensate

Bảng 1.3.2 Thông số liên quan tới khí khô

AMF MF GPP GPPMLưu lượng

-hồi (%)

Chế độ GPP là chế độ tối ưu nhất Đồ án này sẽ nghiên cứu trên chế độ này

1.4 Sơ đồ bố trí thiết bị

Các thiết bị trong nhà máy được thiết kế có xem xét tới các yếu tố sau:

Với nguyên tắc trên các thiết bị trong nhà máy được bố trí theo 6 khu vực như sau:

1.5 Lý thuyết hấp phụ

1.5.1 Mục đích và nguyên tắc của phương pháp

Mục đích của quá trình là để sấy tinh khí khi yêu cầu hàm lượng nước trong khí bé Phương pháp này có khả năng cho nhiệt độ điểm sương của khí từ âm 85 đến âm 100oC

Nguyên tắc của phương pháp là sử dụng chất rắn có cáu trúc xốp để hấp phụ

có chọn lọc trên bề mặt các cấu tử cần tách Quá trình hấp phụ thực hiện ở nhiệt độ tương đối thấp sau đó lượng ẩm được tách ra khi tăng nhiệt độ

Sự kết hợp 2 quá trình hấp và giải hấp trong một thiết bị cho phép quá trình thực hiện liên tục từ khí Đây là quá trình vật lý mà hiệu quả phụ thuộc vào nhiệt độ và

áp suất

Là quá trình sấy khí tiếp theo quá trình hấp thụ nhằm làm giảm điểm sương

Là hiện tượng bề mặt một pha ngưng tụ thu hút, tập trung tiểu phân của một pha lưu khác tiếp xúc với nó

Pha ngưng tụ có thể là rắn, lỏng pha lưu có thể là lỏng, khí Chất có bề mặt thu hút các tiểu phân là pha hấp phụ, chất bị thu hút là chất bị hấp phụ

Người ta phân biệt sự hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học trong hấp phụ vật

lý, lực hấp phụ luôn có cùng bản chất với lực Vander-walls, gây nên sự ngưng tụ khí Sự hấp phụ vật lý luôn thuận nghịch Hấp phụ hóa học, lực hấp phụ có bản chấthóa học, thường bất thuận nghịch

Nguyên nhân của hiện tượng hấp phụ là do các liên kết vật lý, liên kết hóa học hình thành giữa bề mặt chất hấp phụ và các tiểu phân bị hấp phụ Không có hiện tượng hấp phụ hóa học thuần túy bởi trong bất kỳ hiện tượng hấp phụ nào cũngmang cả đặc trưng vật lý

Do tạo ra các liên kết nên quá trình hấp phụ tỏa nhiệt, lực hấp phụ vật lý nhỏ nên nhiệt hấp phụ nhỏ, nhiệt hấp phụ hóa học lớn hơn

Hấp phụ là quá trình tự xảy ra, Đồng thời với quá trình hấp phụ là quá trình giải hấp Do vậy quá trình hấp phụ có thể đạt đến cân bằng hấp phụ mà tại đó lượngchất hấp phụ không đổi theo thời gian Sự hấp phụ của khí lên bề mặt rắn là trường hợp phổ biến nhất của hiện tượng hấp phụ

Hình 1.5.1 Sơ đồ nguyên tắc hấp phụ

Dòng khí vào qua bộ phận phân tách loại bỏ các tạp chất sau đó vào hệ thốnghấp phụ chính Tại đây tháp 2 là tháp làm khô Dòng khí vô ở đỉnh và ra từ đáy Quá trình tái sinh gồm 2 phần: gia nhiệt và làm lạnh Trong phần gia nhiệt khí tái sinh được gia nhiệt tới 200-315oC nhiệt độ này phụ thuộc vào tác nhân làm khô được sử dụng (chất hấp phụ) và đặc trưng của chất bị hấp phụ

Khí tái sinh sau khi được gia nhiệt sẽ qua bộ phận làm lạnh Sự làm lạnh này

Dòng khí tái sinh sau khi rời khỏi tháp sẽ được làm lạnh để ngưng tụ để nhả hấp sau khi được phân tách thì dòng khí tái sinh sẽ quay lại dòng khí chính của quá trình

tính

Zeolit 4A và 5A

Khối lượng riêng, g/cm3

- Khối lượng riêng thực

- Khối lượng riêng đổ

- Khối lượng riêng biểu

kiếnNhiệt dung, kcal/kg.độ

Hàm lượng nước, % trọng

lượng

Nhiệt độ tái sinh, oC

Khả năng hấp phụ hơi nước, kg

nước/100 kg chất hấp phụ

2.1-2.20.61-0.721.2

0.224.5-7121-2327-9

3.250.8-0.861.60.247.0177-3154-7

0.69-0.721.1

0.2Thay đổi150-3509-12

Điểm sương của khí sau khi

sấy

Trong công nhà máy xử lý khí Dinh Cố yêu cầu nhiệt độ điểm sương khí

người ta sử dụng chất hấp phụ là zeolit 4A và nhôm hoạt tính

Sau đây chúng ta sẽ đi cụ thể về 2 chất hấp phụ này

1.5.2.1 Yêu cầu chất hấp phụ

nhiệt độ

1.5.2.2.1 Tổng quát về Zeolit

Zeolit là một chất aluminosilicat tinh thể có cấu trúc không gian 3 chiều với

hệ thống mao quản đồng đều và có trật tự.Do có khả năng phân tách các phân tử có kích thước khác nhau mà chúng còn được gọi là vật liệu rây phân tử

Công thức chung của Zeolit có dạng như sau:

(M+ X ).(AlO2)X.(SiO2)Y.zH2O

Trong đó:

Zeoit có cấu trúc tinh thể, sự khác nhau trong mạng tinh thể Zeolit là do điều kiện tổng hợp, thành phần nguyên liệu, sự thay đổi các cation kim loại thay thế tại các nút mạng tạo nên

Tính chất xúc tác của Zeolit được thể hiện bởi cấu trúc và hình thái của chúng, tức là sự sắp xếp trật tự của tứ diện, phần thể tích rỗng, sự tồn tại của mao quản và các lỗ, kích thước các lỗ và mao quản ngoài ra tính chất của Zeolit còn phụthuộc vào tỉ lệ Si/Al và các cation bù trừ khi đó tính chất xúc tác của chúng cũng thay đổi theo

Bảng 1.5.2.2.1 Các thông số đặc trưng của zeolit A (dạng NaA)

1.5.2.2.2 Phân loại zeolit

1.5.2.2.2.1 Phân loại Zeolit theo kích thước mao quản

dụ như Zeolit X,Y…

 Loại giàu Al: tỉ lệ Si/Al luôn lớn hơn trong loại giàu Al có các Zeolit như 3,4,5A trong đó quan trọng nhất là NaX với tỉ lệ Si/Al từ 1,2-2,5.

sử dụng trong nhiều quá trình xúc tác có điều kiện khắc nghiệt, tiêu biểu là ZSM-5,

1.5.2.2.2.3 Tính chất Zeolit

Tính Axit: tính chất này thực chất bắt nguồn từ cấu trúc đặc biệt và thành phần hóa học của nó Mỗi một đơn vị [AlO2] hay [FeO2] mang một điện tích âm, được trung hòa bằng cation hóa trị, thường là cation hóa trị hay cao hơn

Trong Zeolit có hai loại tâm axit gồm tâm có khả năng cho proton (tâm Bronsted) và loại có khả năng nhận cặp electron (tâm Lewis)

Tính chọn lọc hình dạng: Vật liệu mao quản tính chọn lọc hình dạng đối với chất phản ứng gồm 3 loại:

là hấp phụ nước ở áp suất riêng phần tương đối nhỏ

Đồng thời, chúng được sử dụng làm khô khí tự nhiên, LPG, khí tủ lạnh, khí tổng hợp ngoài ra Zeolit A còn được sử dụng làm khô chất lỏng

1.5.2.3 Chất hấp phụ oxit nhôm hoạt tính (-AlAl2O3)

1.5.2.3.1 Giới thiệu về nhôm oxit

Nhôm oxit là một hợp chất lưỡng tính có công thức Al2O3 Nhôm oxit

thường có mặt trong các khoáng vật saphia, rubi, xeramic và các loại vật liệu khác

Dạng cấu trúc phổ biến nhất của nhôm oxit trong tự nhiên là -nhôm oxit (trong hợp chất côrunđum), các dạng khác của nhôm oxit như , , ,  và  nhôm oxit Mỗi dạng có một kiểu cấu trúc tinh thể và đặc tính riêng

Cấu trúc của nhôm oxit được xây dựng từ các đơn lớp của các quả cầu bị xếpchặt, Các cation kim loại trong dó Al3+ nhất thiết được phân bố trong không gian giữa các lớp bó chặt anion Lỗ hổng duy nhất mà ion Al3+ có thể phân bố là ở hai lớp Một khả năng khác, các ion Al3+ nằm ở vị trí trên lỗ hổng tam giác, lớp oxi thứ

2 thuộc vị trí 2 được phân bố trên ion Al3+ Ion Al3+ trong trường hợp này nằm ở vị trí tâm bát diện

Lớp oxi thứ 2 của oxit trong vị trí 2 phân bố trên Al3+ Nếu tiếp tục sắp xếm

trung hòa diện tích thì cần thiết phải trống một trong ba vị trí của cation Sự thiếu vắng này dẫn đến khả năng sắp xếp trong mạng thành các hình lục giác đều mà đỉnh

là các Al3+

Khi tách nước cấu trúc có thể đưa đến cấu trúc bó chặt khối lục diện chuyển sang lập phương Trong cấu trúc lập phương bó chặt khối bát diện rỗng chứa các ion nằm ở trung tâm, đồng thời khối bát diện kết hợp với khối tứ diện tạo khoảng không gian cho các cation bé Al3+ có thể vào khối bát diện và tứ diện (hình 6)

Trong nhôm oxit, oxi được bao gói theo kiêu lập phương bó chặt, còn đối vớication thì một trong hai cation nằm ở khối bốn mặt, cation kia nằm trong khối 8 mặt ở trường hợp này khi có mặt hydro thì công thức của -Al2O3 và -Al2O3 có thể viết tương ứng (H1/2Al1/2)Al2O4 hay Al(H1/2Al3/4)O4 trong đó các ion nhôm nằm trong khối tứ diện Proton không nằm trong lỗ trống tứ diện mà nằm trên bề mặt

-nằm trên bề mặt vì vậy -Al2O3 và -Al2O3 có diện tích bề mặt lớn và trên bề mặt chứa nhiều OH- liên kết

1.5.2.3.2 Cấu trúc của -Al2O3 mao quản trung bình

Tùy theo phương pháp tổng hợp mà -Al2O3 mao quản trung bình tạo thành

có cấu trúc khác nhau Nếu tổng hợp trong môi trường bazo, người ta chia ra ba dạng cấu trúc xác định:

- Gạng cấu trúc với các mao quản hình trụ, sắp xếp trật tự thành hình lục giác Giữa các mao quản không có sự kết nối với nhau

- Dạng cấu trúc không gian ba chiều, các mao quản phân bố không trật tự tạo

ra các cấu trúc giống như quả cầu

- Dạng cấu trúc với các mao quản sắp xếp trật tự theo lớp thành các phiến mỏng

Nếu tổng hợp trong môi trường axit, vật liệu mao quản trung bình tạo thành có thể

có cấu trúc không gian dạng lập phương

1.5.2.3.3 Cấu tạo bề mặt của -Al2O3

Tính chất hóa học bề mặt của -Al2O3 liên quan trực tiếp đến tính chất xúc tác và hấp phụ của chúng -Al2O3 hoạt tính, ngoài ra oxit nhôm tinh khiết còn chứa từ 1-5% nước Tùy theo điều kiện chế tạo, trong -Al2O3 có thể chứa oxit kimloại kiềm, oxit sắt, ion sunfat Các tạp chất này có ảnh hưởng đến tính chất xúc tác

-Al2O3

Cấu tạo bề mặt của -Al2O3 cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, -Al2O3 có thể

nhiệt độ thường, -Al2O3 hấp thụ nước ở dạng phân tử H2O không phân ly Nước liên kết với bề mặt bằng liên kết hydro bền vững Ở áp suất hơi nước cao, quan sát quá trình hấp phụ vật lý một lương nước lớn, nhưng lượng nước này dễ bị tách ra

nguyên liệu nhiệt độ và thời gian nung

1.5.2.3.4 Ứng dụng của -Al2O3

Do đặc tính là bề mặt riêng lớn, cấu trúc xốp, hoạt tính cao, bền cơ, bền nhiệt nên Al2O3 được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như lọc hóa dầu, xúc tác cho các phản ứng hóa học, chất hấp phụ,…

-Bảng 1.5.2.3.4 Các đại lượng đặc trưng của các chất hấp phụ

Khối lượng riêng thực,

Điểm sương của khí sau

khi sấy

Trong vùng hoạt tính chất hấp phụ vẫn giữ được khả năng hấp phụ nước và chứa thêm một lượng nước tách ra từ quá trình tái sinh.

Sau đây là hình ảnh minh họa sự phân bố các vùng trên tháp hấp phụ:

Hình 1.2.3.1 Sự phân bố các tầng hấp phụ dựa trên độ bão hòa hơi nước

Hình 1.2.3.2 Sự biến đổi của vùng hấp phụ theo thời gian

Hình 1.2.3.3 Đường cong biểu diễn sự bão hòa của lớp hấp phụ theo thời gian

Hình 1.2.3.4 Ảnh hưởng của kích cỡ phân tử tới độ hấp phụ

Trên thực tế thì tất cả các quá trình chuyển khối đều xảy ra trên vùng MTZ Tồn tại một gradient nồng độ đi qua vùng chuyển khối Điều này được minh họa

trên hình 1.2.3.2, cho thấy sự thay đổi giá trị của gradient nồng độ trong suốt chu

kỳ hấp phụ Đường cong 1-3 biểu diễn sự hình thành vùng MTZ Đường cong 4 biểu diễn vị trí của gradient nồng độ trong vùng MTZ Đường cong 6 biểu diễn

gradient nồng độ ở đường bao quanh vùng MTZ thì tầng hấp phụ không bão hòa hơi nước.

Hình 1.2.3.3 biểu diễn quá trình hấp phụ đa cấu tử (nước và hydrocacbon)

trên vùng MTZ khi sử dụng chất hấp phụ là silicagel Dòng khí đi vào tầng chất hấpphụ khô, tất cả các cấu tử được hấp phụ với tốc độ khác nhau Sau đó, quá trình tiếptục trong một chu kỳ ngắn, một loạt vùng hấp phụ sẽ xuất hiện Sự hiện diện của các vùng này liên quan đến quá trình hấp phụ của các cấu tử trong tháp Phía sau tất

cả các vùng, các cấu tử đi vào trong đó được hấp phụ trên tầng chất hấp phụ Đằng trước của vùng nồng độ hợp chất bằng không Những vùng này hình thành và tách

ra khỏi vùng chất hấp phụ Tất cả các hợp chất đều được hấp phụ ngoại trừ cacbon

sẽ đổi chỗ cho hydrocacbon nếu có đủ thời gian cho phép Nếu sử dụng rây phân tử 3A và 4A thì quá trình hấp phụ C4-C6 không xảy ra vì phân tử của chúng không thích hợp với cấu trúc của chất hấp phụ này

100% các cấu tử sẽ được hấp phụ trên chất hấp phụ cho đến khi vùng hấp phụ của

nó tiến ra khỏi tầng chất hấp phụ

Hình 1.2.3.4 biểu diễn ảnh hưởng kích cỡ của chất hấp phụ đến chiều dài

vùng MTZ như là đường dốc hơn, năng suất của chất hấp phụ cao hơn Vì vậy chất hấp phụ phải nên tương ứng với độ giảm áp nhỏ nhất những yếu tố khác ảnh hưởngđến độ dài của vùng MTZ là vận tốc của dòng khí (vận tốc tăng làm tăng chiều dài vùng MTZ), các tạp chất, hàm lượng nước và liên quan đến độ bão hòa của dòng khí đầu vào Các tạp chất làm chậm quá trình chuyển khối

Trong vùng chuyển khối chỉ có một phần chất hấp phụ bão hòa hơi nước

1.5.2.5 Năng suất của chất hấp phụ

1.5.2.5.1 Năng suất cân bằng tĩnh

Là lượng nước bị hấp phụ do một đơn vị thể tích hay một đơn vị khối lượng chất hấp phụ hút được ở nhiệt độ và nồng độ nhất định của chất bị hấp phụ cho đến khi đạt đến cân bằng

1.5.2.5.2 Năng suất cân bằng động

Được tính bằng thời gian kể từ khi cho hỗn hợp khí qua lớp chất hấp phụ cho đến khi phía đằng sau của chất hấp phụ có xuất hiện chất bị hấp phụ trong khí đi ra

1.5.2.5.3 Năng suất cân bằng hữu ích

Là năng suất thiết kế có sự thừa nhận sự giảm năng suất chất hấp phụ theo thời gian Nó được quyết định bởi kinh nghiệm và tính kinh tế của quá trình hấp phụ Trên thực tế thì tầng chất hấp phụ chưa được sử dụng đầy đủ

Năng suất cân bằng tĩnh không được sử dụng trực tiếp trong thiết kế mặc dù cho biết ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, nước bão hòa đến năng suất hấp phụ.Năng suất cân bằng tĩnh và cân bằng có ích được sử dụng trực tiếp trong tính toán Năng suất cân bằng động bằng 50-70% năng suất cân bằng tĩnh Tất cả các chất hấpphụ sẽ giảm hoạt tính trong quá trình sử dụng, thông thường độ giảm hoạt tính biểu hiện ở diện tích bề mặt hấp phụ của chất hấp phụ giảm dần

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

DỰA TRÊN NHÀ MÁY CHẾ BIẾN KHÍ DINH CỐ (CHẾ ĐỘ GPP)

2.1 Nguồn nguyên liệu

Yêu cầu với các thiết bị phân tách lỏng – khí nói chung như sau:

- Vùng phân tách sơ cấp loại bỏ được hầu hết lỏng ra khỏi khí

- Đảm bảo chiều dài và chiều cao để các giọt nước nhỏ có thể lắng bằng trọng lực.

- Thiết bị tách được trang bị màn chắn nhằm đảm bảo các giọt nước cuốn theo hay các giọt quá nhỏ đều bị lắng bởi trọng lực

- Điều khiển được áp suất và mức chất lỏng phù hợp

Một trong những hệ số để phân biệt các loại thiết bị phân tách lỏng – khí là

hệ số Ks (hệ số kinh nghiệm tức là dựa vào kinh nghiệm thì người ta xác định hệ số này do đó các hệ số Ks ở mỗi thiết bị là khác nhau)

V= Ks [(ρL-ρg)/ ρg]0.5

Bảng 2.2.1.1 Giá trị của K s theo API (Số liệu lấy từ [2])

3.0 hoặc cao hơn

0.037 – 0.0730.055 – 0.107

0.12 – 0.240.18 – 0.35

Bảng 2.2.1.2 Ưu, nhược điểm của thiết bị

Dạng thẳng đứng

Dạng nằm ngang (chung)

Dạng hình cầu Dạng Slug

Catcher

mức tốtKhuynh hướng chất lỏng tăng thấp

Kiểm soát cặn tốt

Diện tích mặt cắt ngang nhỏ

Hiệu quả tách cao

Diện tích tiếp xúc lớn

Thoát khí nhanhHạn chế dòng rối và hiện tượng tạo bọt

Chịu áp tốtDiện tích tiếp xúc lớn

Nhỏ, gọn, rẻThao tác đơn giản

Giảm chiều dài ống, giảmchi phí chế tạo

Hiệu quả phân tách caoNhược điểm Chi phí chế tạo

cao

Không gian daođộng mức bị

Khó điều khiển mức

Khó làm sạch

Hiệu quả tách thấp

giới hạn, khó điều khiển mức,khó làm sạch, khó vận hànhPhạm vi

ứng dụng

Lưu lượng lỏngnhỏ

Lưu lượng lỏnglớn

Dòng có áp cao, lưu lượnglỏng lớn

Lưu lượng lỏng lớn

Trong phạm vi nghiên cứu đồ án về chế độ GPP nhà máy xử lý khí Dinh Cố

sẽ sử dụng Slug Catcher – một dạng đặc biệt của thiết bị nằm ngang

Hình 2.2.1 Slug - Catcher

Tất cả các thiết bị tách lỏng – khí đều hoạt động dựa trên các cơ chế sau đây:

Nguyên lý lắng trọng lực, lực ly tâm, sự va chạm, kết tủa tĩnh điện, kết tủa âm, lọc,

hấp phụ hoặc tách bởi nhiệt Thiết bị Slug Catcher hoạt động dựa trên nguyên lý

đó, các hạt có kích cỡ trên 10 µm sẽ được phân tách bằng cách lắng xuống theo nguyên lý trọng lực thông qua đĩa phân phối

- Giai đoạn 1: dòng đầu vô đĩa phân phối sẽ bị đi lệch theo thiết kế của đĩa do

đó sẽ có một số kích cỡ hạt được phân biệt trong giai đoạn này

- Giai đoạn 2: dòng vào sẽ bị va đập với đà quay động lượng do đó một lượng lỏng lớn sẽ bị loại bỏ (kích cỡ hạt trên 500 µm)

- Giai đoạn 3: sau đó dòng sẽ tiếp tục đi vào khu vực phân tách sơ cấp Tại đây

sự ảnh hưởng của trọng lực thì phần lớn các hạt có kích cỡ 150 µm hoặc lớn hơn sẽ bị loại bỏ

Dòng vào gờ (vane) của thiết bị loại lỏng có màn chắn Tại đây dưới tác dụng của trọng lực, lực ly tâm sẽ làm giảm hiện tượng chảy rối và kết tụ các hạt nhỏ thành các hạt lớn hơn để dễ dàng lắng, tách

- Giai đoạn 4: Dòng ra khỏi vane sẽ đi vào vùng phân tách thứ 2 tại đây dưới tác dụng của trọng lực sẽ phân tách hoàn toàn các hạt có kích cỡ 150 µm

- Giai đoạn 5: dòng ra từ (4) sẽ đi vào hệ thống đĩa phân phối mới tại đây hoạt động giống như giai đoạn 3 sẽ loại bỏ các hạt có kích cỡ khoảng 30 µm

Để tách luôn phần lỏng còn lại trong khí người ta sử dụng thiết bị V-08

Các phương pháp dùng để tách CO2 bao gồm phương pháp vật lý, phương

pháp hóa học, phương pháp hỗn hợp vât lý-hóa học, phương pháp phân tách màng,

phân tách trên zeolit, trong đó hấp phụ trên zeolit chưa được áp dụng rộng rãi

Mỗi phương pháp có những ưu, nhược điểm riêng

Bảng 2.2.2.1 So sánh ưu, nhược điểm của từng loại quá trình hấp phụ

-Độ hòa tan hydrocarbontrong chất hấp thụ không

cao

-Công nghệ và thiết bị

đơn giản

-Có ưu điểmcủa cả quátrình hấp thụvật lý và hóahọc

-Làm sạch đếnmức tinh H2S,CO2, RSH,COS, CS2

Bền hóa và bềnnhiệtChi phí thấp

-Mức độ lọai mercaptan

và các hợp chất lưu hùynhthấp

-Mercaptan, COS, CS2 có

-Độ hòa tan tanhydrocarbon trong dung môihấp thụ cao

Nhạy với nước, bụi và

hydrocacbon lỏngGiảm 20% khả năng phân tách sau

1000 ngày hoạt động đối với khí

môi và không thể hòan nguyên trong điều kiện phản ứng.

-Yêu cầu hệ số hồi lưu cao, chi phí nhiệt năng lớn

-Có khả năng tạo chất gây

Dòng khí có hàm lượng khí chua cao

Khử CO2 hàm lượng lớn

• Tiêu chuẩn để lựa chọn quá trình và dung môi hấp thụ:

suất riêng phần trước và sau khi làm sạch của tạp chất trong khí

hấp thụ

chất hấp thụ, áp suất cân bằng và nhiệt độ của khí khi ra khỏi dung dịch

Cũng như chất hấp phụ thì dung môi được dùng để hấp thụ có những yêu cầu tương tự như sau:

Trường hợp hàm lượng khí chua thấp và áp suất riêng phần của khí chua thấp người ta thường sử dụng dung môi alkanamine.

Áp suất riêng phần của khí chua càng thấp, khả năng hấp thụ hóa học của

alkanamine đối với H2S và CO2 càng cao

Một số dung môi alkanamine sử dụng để hấp thụ:

Bảng 2.2.2.2.Tính chất hóa lý của alkanamine

Tính chất hóa lý của alkanamine

105,11090-1871501,33280,38(300C)96,41205,9

133,2989248,71671331,33420,198(450C)87722,5

105,11055221 1,339,50,026(240C)100917,4

So sánh ưu, nhược điểm của từng loại dung môi alkanamine:

Bảng 2.2.2.3.So sánh ưu, nhược điểm của từng loại dung môi hấp phụ

alkanamine

điểm riêng phần của khí

chua ban đầu rộng

và CS2

Dung dịch DEA bền hóa học, dễ hòan nguyên,

Áp suất hơi bão hòa thấp nên độ mất mát thấp

Công nghệ và thiết kế đơn giản

Tiến hành ở nhiệt độ cao hơn quá trình dùng

Khả năng tạo bọt thấp đối với dòng khí có chứa thành phần hydrocarbon nặng cao

đến 40%

Cho phép làm sạch tinh H2S đến 1,5 mg/

m3; đồng thời làm sạch CO2, COS, RSR(có thể lọai bỏ 40-50% COS và RSR).Khả năng tạo hợp chất gây ăn mòn thấp

Sự phân hủy DIPA

do tương tác với các hợp chất chứa S và Othấp hơn so với quá trình dùng MEA

SO2, SO3 khó hòan

nguyên à nếu trong

khí có chứa COS và

CS2 thì không sử dụng

quá trình này

Khả năng hấp thụ của dung môi thấp

Chi phí riêng chất hấp thụ và chi phí sản xuất cao

Có sự tương tác giữa CO2 (một phần) và HCN (hòan tòan) với chất hấp thụ tạo tàhnh hỗn hợp không hòan nguyên được

Khả năng làm sạch

Họat độ dung dịch DIPA đối với CO2 thấp hơn so với MEA

Khả năng thu hồi

Vì tính ưu việt của MEA mà trong trường hợp này ta sử dụng dung môi MEA làm dung môi hấp thụ

Hệ thống tháp hấp thụ làm ngọt:

Hình 2.2.2 Hệ thống tháp hấp thụ làm ngọt khí

Hệ thống gồm 2 tháp làm việc song song, một tháp hấp thụ, tháp còn lại tái sinh Dung môi và dòng khí chuyển động ngược chiều nhau, tăng độ chọn lọc trongquá trình hấp thụ

2.3 Tháp hấp phụ V06 A/B

Yêu cầu nhiệt độ của dòng khí khô thương phẩm: nhiệt độ điểm sương

condensate như vậy thì quá trình hấp phụ được xem là tối ưu nhất để loại nước trong trường hợp nhà máy Dinh Cố

2.3.1 Chất hấp phụ

2.3.1.1 Nhôm hoạt tính

Khi sử dụng nhôm hoạt tính thì dòng khí phải được tách lỏng trước hoặc dòng khí phải khô vì nhôm hoạt tính có khả năng hấp phụ các hydrocacbon nặng và các hydrocacbon này khó tách ra khỏi dòng khí nên khó khăn cho quá trình tái sinh

Sử dụng nhôm hoạt tính F-200 có dạng hình cầu, đường kính 1/8 inch, kích

cỡ hạt đồng đều, với những đặc điểm như sau:

- Có khả năng tách nước trong dòng khí tốt khi có sự thay đổi thường xuyên của lưu lượng dòng khí vào.

2.3.1.2 Zeolit 4A

Đây là loại zeolit sử dụng trong tháp V06 với bột viên, mạng lưới, có khả

C2H4

Hình 2.3.1 Sơ đồ tháp hấp phụ

Cấu tạo của tháp hấp thụ có 3 lớp:

* Tầng hấp phụ phía trên cùng là oxit nhôm hoạt tính (Alumina) được sử dụngcho việc tách một lượng nước lớn bởi vì:

- Giá thành thấp hơn Silicagel và Zeolit

- Có tốc độ tách nước cao, nhưng hiệu suất tách không bằng zeolit

- Khó bị làm bẩn và rây phân tử của oxit nhôm được bảo vệ tốt

- Dễ dàng tái sinh

* Tầng hấp phụ thứ hai là màng phân tử (Zeolite 4A) có tác dụng hoàn thànhcông việc tách nước để hạ nhiệt độ điểm sương của dòng khí xuống theo yêu cầu là-750C ở 34, 5 Bar Zeolit được chọn nhờ:

- Zeolit cho nhiệt độ điểm sương đầu ra dòng khí thấp nhất

- Hàm lượng nước dòng khí đầu ra nhỏ hơn 0,03 ppm

* Lớp cuối cùng là đệm ceramic có tác dụng nâng đỡ cho tầng hấp phụ phíatrên, bảo vệ màng phân tử khi tiếp xúc với dòng khí nóng trong quá trình tái sinh.Dòng khí khô đi ra khỏi tháp hấp phụ thông qua thiết bị Dehydration AfterFilter (F-01A/B), một thiết bị hoạt động và thiết bị kia dự phòng Thiết bị này cókhả năng lọc các hạt chất hấp phụ bẩn kéo theo dòng khí

Dòng khí ở 290C và 109 Bar được nhập liệu vào một trong hai thápDehydration Adsorbers (V-06A/B) có cấu tạo giống nhau, hoạt động song song,một thiết bị đóng vai trò hấp phụ, một thiết bị khác đóng vai trò tái sinh Dòng khí

đi vào thiết bị hấp phụ thông qua thiết bị phân phối khí và từ đó lần lượt đi xuốngcác tầng chất hấp phụ

Hình 2.3.2 Sơ đồ quá trình hấp phụ và tái sinh hấp phụ tại V-06 A/B

Quá trình hấp phụ

Khí từ Slug Catcher đầu tiên được đưa qua thiết bị tách lọc nước V-08, đượcthiết kế để tách 99% Hydrocacbon lỏng, nước tự do, dầu bôi trơn, chất rắn trongkhí, rồi khí tiếp tục đi đến thiết bị khử nước tinh V-06A/B Ở đây dầu có tác dụng

xấu đến hiệu năng và thời gian sống của chất hấp phụ phân tử Nên cần có thiết bịtách thô để tách chúng đi nhằm bảo vệ rây phân tử.

phụ làm việc song song (V-06A/B) Dòng khí vào được phân phối, sau đó đi vàocác tầng hấp phụ Tầng hấp phụ đầu tiên là nhôm oxit hoạt tính để tách phần lớnnước, tầng thứ hai làm bằng rây phân tử để tách triệt để nước và giảm nhiệt độ điểmsương xuống đạt yêu cầu là -750C ở áp suất 34,5 bar

Khí khô ra khỏi thiết bị hấp phụ được góp lại và đưa đến thiết bị lọc

F-01A/B để tách bụi của chất hấp phụ bị kéo theo Sự chênh lệch áp suất đượcđiều khiển bởi thiết bị DPA-0503A/B, áp suất cài đặt ở đây là 0,1 bar

Quá trình tái sinh.

Chất hấp phụ sau một thời gian (khoảng 8h) làm việc sẽ bị bão hòa nước, hoạttính của chất hấp phụ giảm đi, lúc này chất hấp phụ cần được tái sinh Quá trình táisinh chất hấp phụ bao gồm các giai đoạn sau:

 Chuyển tháp hấp phụ

Thiết bị đang ở chế độ dự phòng sẳn sàng đưa vào hoạt động song song vớithiết bị đang hoạt động Trong thời gian ngắn thì cả hai thiết bị hoạt động songsong để:

ống làm việc đầu vào trong thời gian điều áp