vào tìm hiểu và thiết kế tháp hấp phụ v06

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 kinhdoanh các sản phẩm khí Việt Nam, là đơn vị trực tiếp quản lý nhà máy xử lý khíDinh 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 SamsungEngineering Co, Ltd (Hàn Quốc) xây lắp Nằm trong dây chuyền khai thác và chếbiến các sản phẩm khí, GPP có một tầm quan trọng đặc biệt đối với nguồn nănglượng trong khu vực và cả nước

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

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

m3 khí/ngày, năm 2002 tiếp nhận thêm khí từ mỏ Rạng Đông nên lưu lượng khítăng lên là 5,7 triệu m3 khí/ngày Nhà máy sử dụng công nghệ turbo – expander đểthu hồi khoảng 540 tấn propan/ngày, 415 tấn butan/ngày và 400 tấncondensate/ngày với lưu lượng đầu vào khoảng 4,3 triệu m3 khí/ngày Sản phẩmlỏng của nhà máy 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, slugcatcher, tháp hấp phụ tách nước, cụm thiết bị làm sạch sâu, turbo – expander, cáctháp chưng cất, máy nén khí hổi lưu, cụm thiết bị chứa sản phẩm lỏng và thiết bịphụ trợ Nhà máy được thiết kế nhằm đảm bảo hoạt động 24/24 với hệ thống điềukhiển 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

2 Nhiệt độ điểm sương của hydrocarbon ở áp suất

giao và chế độ vận hành bình thường , nhỏ hơn

3

Nhiệt độ điểm sương của hydrocarbon ở áp suất

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

8 Tổng hàm lượng chất trơ kể cả CO2 nhỏ hơn %V 2

( 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

TênchỉtiêuÁpsuấtban

đầutạigiànốngdứngkhôngnhỏhơnNhiệtđộ

khíđồnghànhtạigiànốngđứngĐiểmsươngc

ủanướcởnhiệtđộ125barnhỏhơnHàmlượngC

O2vàN2nhỏhơnHàmlượngoxyHàmlượngH2SH

ethane;

propa

butan

i-e

;neo-pentane;

hexane;

heptanes

;cta

;nonanes

;decanes

;undercanes

;đodercanes

plusKhốilượngriêngcủakhívàobờởđiềukiện1

01325barTrọnglượngphântửcủakhív

àobờnhiệttrịcủakhívàobờKhốilượngriêngcủa

8o

c ,10barTrọ

nglượngphântửcủacondensatetrắng(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

1 Diểm sương của nước ở 125 bar

nhỏ hơn

3 Hàm lượng lưu huỳnh tổng nhỏ

(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:

- Cung cấp khí khô thương phẩm cho các nhà máy khí điện đạm ở Phú Mỹ, Bà Rịa

- Cung cấp LPG cho thị trường trong nước và quốc tế

- Sản xuất condensate cho xuất khẩu

- Khí khô thương phẩm cung cấp cho nhà máy điện, nhà máy cán thép, nhà máy sảnxuất 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

Bảng 1.1.6 Hàm lượng cho phép trong khí khô thương phẩm.

Lưu lượng (triệu m3/ngày) 3,8 3,5 3,34 4,7

Áp suất hơi bão hòa 13 bar ở 37,7oC 4,83 bar ở 37,7oC

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

Hàm lượng propan 96% thể tích, max 2% thể tích, max

Hàm lượng butan 2% thể tích, max 96% thể tích, max

Bảng 1.1.8 Chỉ tiêu kỹ thuật cần đạt được của LPG

ST

T Tên chỉ tiêu

Đơn vịtính Propan Butan Bupro

Phương phápphân tích

37.8oc max D1267-95

2 Hàm lượng lưu

ASTMD2784-98

3 Hàm lượng nước

Khôngcó

Khôngcó

Khôngcó

Quan sát bằngmắt thường4

số liệubáo cáo

ASTMD1657-916

Thành phần

ASTMD2163-91

Hàm lượng Etan %mole số liệu

số liệubáo cáo 0,05

( 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

Chỉ tiêu giám định Đơn

vị

Kếtquả

Phươngpháp

Màu sắc

Trong

VISUAL

0,6700

1298

D-Chưng cấtIBP

10 %

50 %

90 %FBP

0C

364556107149D-86

% W

2,075,5

0,01

D-323

1266

D-Ăn mòn lá đống

3Hrs/

500C

1 a D-130Hàm lượng nhựa thực tề mg/1 1 D-381

00mlTrị sồ Octane RO

N

64,0

2699

Hàm lượng than cặn % W 0 D-473

( Chứng thư giám định phẩm chất ASI No: 08638A/GĐAC)

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 phụthuộc vào việc khai thác dầu thô Do đó có sự chênh lệch giữa nhu cầu tiêu thụ khíkhô và khả năng cung cấp khí ẩm Do đó vận hành nhà máy tuân thủ một số quy tắcsau:

- Ưu tiên cao nhất của nhà máy là tiếp nhận toàn bộ lượng khí ẩm cấp từ ngoài khơi.Khi nhu cầu tiêu thụ khí nhỏ hơn lượng khí thu gom được ngoài khơi thì nhà máyvẫn tiếp nhận tối đa, lượng khí dư sau khi đã được xử lý thu gom phần lỏng sẽ đượcđốt bỏ

- Ưu tiên tiếp theo là đáp ứng nhu cầu tiêu thụ của các nhà máy điện Trong trườnghợp nhu cầu tiêu thụ khí khô cao hơn lượng khí cung cấp từ ngoài khơi, việc cungcấp 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 sốthiết bị không đáp ứng kịp, việc xây dựng và đưa nhà máy vào hoạt động được chialàm 3 giai đoạn:

- Giai đoạn AMF bao gồm 2 tháp chưng cất, 3 thiết bị trao đổi nhiệt, 3 bình tách đểthu hồi khoảng 340 tấn condensate/ngày từ lưu lượng khí ẩm khoảng 4,3 triệu

m3/ngày Giai đoạn này không có máy nén nào được sử dụng

- Giai đoạn MF bao gồm các thiết bị trong AMF bổ sung thêm một tháp chưng cất,một máy nén piston chạy khí 800Kw, 3 thiết bị trao đổi nhiệt và 3 bình tách để thuhồi 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, 2tháp 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 cácchế 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 chuyểnđổi 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

 Các thông số liên quan đến sản phẩm xem bảng sau:

Bảng 1.3.2 Thông số liên quan tới khí khô

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

- Khoảng cách an toàn giữa các thiết bị theo các tiêu chuẩn IP tương ứng

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

- Khu vực slug catcher

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 trongkhí bé Phương pháp này có khả năng cho nhiệt độ điểm sương của khí từ âm 85đến âm 100oC

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

có chọn lọc trên bề mặt các cấu tử cần tách Quá trình hấp phụ thực hiện ở nhiệt độtương 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 thựchiện liên tục từ khí Đây là quá trình vật lý mà hiệu quả phụ thuộc vào nhiệt độ và

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 tụkhí 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 hóahọc 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 nhỏnên 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 trìnhgiải 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 trườnghợp 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 táisinh được gia nhiệt tới 200-315oC nhiệt độ này phụ thuộc vào tác nhân làm khôđược 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 nàykết thúc khi nhiệt độ của lớp hấp phụ cao hơn nhiệt độ dòng vào khoảng 10-150C

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

Bảng 1.5.2 Các đại lượng đặc trưng của chất hấp phụ

Đại lượng đặc trưng Silicagel Nhôm hoạt

tính Zeolit 4A và 5AKhối lượng riêng, g/cm3

- Khối lượng riêng thực

- Khối lượng riêng đổ

- Khối lượng riêng biểu kiến

Nhiệt 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

-60oC -73oC -90oC

Trong công nhà máy xử lý khí Dinh Cố yêu cầu nhiệt độ điểm sương khíthương phẩm là từ - 75 → -90oC Mặt khác xét về phương diện vấn đề kinh tế thìngười 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

 Có khả năng hấp thụ (hấp phụ) hơi nước trong khoảng rộng nồng độ, áp suất, nhiệtđộ

 Áp suất hơi bão hòa thấp

 Nhiệt độ sôi khác xa nhiệt độ sôi của nước để dễ dàng tách nước

 Độ nhớt thấp đảm bảo tiếp xúc tốt với dòng khí.

 Có độ chọn lọc cao

 Tính ăn mòn kém, khả năng tạo bọt kém

 Có độ bền nhiệt cao, không độc hại, giá thành rẻ

1.5.2.2 Chất hấp phụ Zeolit.

1.5.2.2.1 Tổng quát về Zeolit

Zeolit là một chất aluminosilicat tinh thể có cấu trúc không gian 3 chiều với hệthống mao quản đồng đều và có trật tự.Do có khả năng phân tách các phân tử cókích 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:

• M: cation bù trừ điện tích khung

• Z: số phân tử nước tinh khiết có trong Zeolit

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

Tính chất xúc tác của Zeolit được thể hiện bởi cấu trúc và hình thái củachúng, tức là sự sắp xếp trật tự của tứ diện, phần thể tích rỗng, sự tồn tại của maoquản 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 cũngthay 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

 Zeolit có kích thước mao quản rộng, đường kính mao quản lớn hơn 8A0 ví dụ nhưZeolit X,Y…

 Zeolit có mao quản trung bình, đường kính mao quản từ 5 A0 - 8 A0 như ZeolitZSM-5, ZSM-11…

 Zeolit có kích thước mao quản nhỏ, đường kính mao quản nhỏ hơn 5 A0 như Zeolit

A, ZSM-35…

1.5.2.2.2.2 Phân loại Zeolit theo tỉ lệ Si/Al

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

 Loại giàu Si: loại này có tỉ lệ Si/Al lớn hơn 2,5 tương đối bền nhiệt nên được sửdụng trong nhiều quá trình xúc tác có điều kiện khắc nghiệt, tiêu biểu là ZSM-5,ZSM-11…Tỉ lệ Si/Al xấp xỉ 100, đường kính mao quản từ 5,1-5,7A0

1.5.2.2.2.3 Tính chất Zeolit

Tính Axit: tính chất này thực chất bắt nguồn từ cấu trúc đặc biệt và thànhphần 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 (tâmBronsted) 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 vớichất 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, khítổng hợp ngoài ra Zeolit A còn được sử dụng làm khô chất lỏng

1.5.2.3 Chất hấp phụ oxit nhôm hoạt tính (γ-Al 2 O 3 )

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 α-nhôm oxit(trong hợp chất côrunđum), các dạng khác của nhôm oxit như χ, γ, δ, η và θ nhômoxit 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 giangiữa các lớp bó chặt anion Lỗ hổng duy nhất mà ion Al3+ có thể phân bố là ở hailớp 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 vịtrí tâm bát diện

Lớp oxi thứ 2 của oxit trong vị trí 2 phân bố trên Al3+ Nếu tiếp tục sắp xếmbằng phương pháp này thì một ion Al3+ được bao bọc bởi 3 ion oxi, để thỏa mãn độtrung hòa diện tích thì cần thiết phải trống một trong ba vị trí của cation Sự thiếuvắng 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 chuyểnsang lập phương Trong cấu trúc lập phương bó chặt khối bát diện rỗng chứa cácion nằm ở trung tâm, đồng thời khối bát diện kết hợp với khối tứ diện tạo khoảngkhông 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 8mặt ở trường hợp này khi có mặt hydro thì công thức của η-Al2O3 và γ-Al2O3 có thểviết tương ứng (H1/2Al1/2)Al2O4 hay Al(H1/2Al3/4)O4 trong đó các ion nhôm nằm trongkhối tứ diện Proton không nằm trong lỗ trống tứ diện mà nằm trên bề mặt trongdạng nhóm OH- Điều đó có ý nghĩa tinh thể bé và phần lớn các nhóm OH- nằm trên

bề mặt vì vậy η-Al2O3 và γ-Al2O3 có diện tích bề mặt lớn và trên bề mặt chứa nhiều

OH- liên kết

1.5.2.3.2 Cấu trúc của γ-Al2O3 mao quản trung bình

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

có cấu trúc khác nhau Nếu tổng hợp trong môi trường bazo, người ta chia ra badạng 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 phiếnmỏng

Nếu tổng hợp trong môi trường axit, vật liệu mao quản trung bình tạo thành cóthể có cấu trúc không gian dạng lập phương

1.5.2.3.3 Cấu tạo bề mặt của γ-Al2O3

Tính chất hóa học bề mặt của γ-Al2O3 liên quan trực tiếp đến tính chất xúctác và hấp phụ của chúng γ-Al2O3 hoạt tính, ngoài ra oxit nhôm tinh khiết còn chứa

từ 1-5% nước Tùy theo điều kiện chế tạo, trong γ-Al2O3 có thể chứa oxit kim loạikiềm, oxit sắt, ion sunfat Các tạp chất này có ảnh hưởng đến tính chất xúc tác của

γ-Al2O3 ví dụ như sự có mặt của SO42- và một số ion khác làm tăng độ axit của γAl2O3

-Cấu tạo bề mặt của γ-Al2O3 cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, γ-Al2O3 có thể hấpphụ nước ở dạng phân tử H2O hoặc dạng ion OH- Khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt

độ thường, γ-Al2O3 hấp thụ nước ở dạng phân tử H2O không phân ly Nước liên kếtvới bề mặt bằng liên kết hydro bền vững Ở áp suất hơi nước cao, quan sát quá trìnhhấp phụ vật lý một lương nước lớn, nhưng lượng nước này dễ bị tách ra khi nungmẫu ở nhiệt độ 1200C Nhôm oxit là loại vật liệu mao quản trung bình, có diện tích

bề mặt lớn thường từ 150-450m2/g Diện tích bề mặt phụ thuộc vào nguyên liệunhiệt độ và thời gian nung

1.5.2.3.4 Ứng dụng của γ-Al2O3

Do đặc tính là bề mặt riêng lớn, cấu trúc xốp, hoạt tính cao, bền cơ, bền nhiệt nên γ-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

Đại lượng đặc trưng Oxit nhôm hoạt tính Zeolit 4A và 5AKhối lượng riêng thực,

Hàm lượng nước, %trọng

Điểm sương của khí sau

Trong vùng hoạt tính chất hấp phụ vẫn giữ được khả năng hấp phụ nước vàchứa 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 1.5.2.4.1 Sự phân bố các tầng hấp phụ dựa trên độ bão hòa hơi nước

Hình 1.5.2.4.2 Sự biến đổi của vùng hấp phụ theo thời gian

Hình 1.5.2.4.3 Đường cong biểu diễn sự bão hòa của lớp hấp phụ theo thời gian

Hình 1.5.2.4.4 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 1.5.2.4.2 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 4biểu diễn vị trí của gradient nồng độ trong vùng MTZ Đường cong 6 biểu diễngradient nồng độ ở đường bao quanh vùng MTZ thì tầng hấp phụ không bão hòahơi nước

Hình 1.5.2.4.3 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 củacác 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 Đằngtrước 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 tử3A và 4A thì quá trình hấp phụ C4-C6 không xảy ra vì phân tử của chúng khôngthích 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 phụcủa nó tiến ra khỏi tầng chất hấp phụ

Hình 1.5.2.4.4 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 chấthấp phụ phải nên tương ứng với độ giảm áp nhỏ nhất những yếu tố khác ảnh hưởng

đến độ dài của vùng MTZ là vận tốc của dòng khí (vận tốc tăng làm tăng chiều dàivùng MTZ), các tạp chất, hàm lượng nước và liên quan đến độ bão hòa của dòngkhí 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 lượngchất hấp phụ hút được ở nhiệt độ và nồng độ nhất định của chất bị hấp phụ cho đếnkhi 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 chođến 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 theothời gian Nó được quyết định bởi kinh nghiệm và tính kinh tế của quá trình hấpphụ 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 dùcho 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 biểuhiện 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 haycác 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 sốnày 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])

Loại thiết bị Chiều cao, m Hệ số Ks

Thăng đứng 1.5

3.0 hoặc cao hơn

0.037 – 0.0730.055 – 0.107

0.12 – 0.240.18 – 0.35

Hình cầu All 0.061 – 0.107 0.20 – 0.35

 Ưu, nhược điểm của các thiết bị được nêu trong bảng sau:

Bảng 2.2.1.2 Ưu, nhược điểm của thiết bị

Dạng thẳng đứng Dạng nằm ngang (chung) Dạng hình cầu Dạng Slug Catcher

Ưu điểm Điều khiển 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, giảm chi phí chế tạo

Hiệu quả phân tách caoNhược điểm Chi phí chế tạo

caoHiệu quả tách thấp

Không gian dao động mức bị giới hạn, khó điều khiển mức, khó làm sạch, khó vận hành

Khó điều khiển mức Khó làm sạch

Phạm vi ứng

dụng

Lưu lượng lỏng nhỏ

Lưu lượng lỏng lớn

Dòng có áp cao, lưu lượng lỏng 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

 Nguyên tắc hoạt động:

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 lýlắng bằng trọng lực hệ thống gồm các ống nằm ngang nghiêng một góc 15o Khi

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

 Quá trình này diễn ra như sau:

- 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 lỏnglớn 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 sựảnh hưởng của trọng lực thì phần lớn các hạt có kích cỡ 150 µm hoặc lớn hơn sẽ bịloại bỏ

Dòng vào gờ (vane) của thiết bị loại lỏng có màn chắn Tại đây dưới tác dụngcủa trọng lực, lực ly tâm sẽ làm giảm hiện tượng chảy rối và kết tụ các hạt nhỏthành 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 tácdụng 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 độnggiống 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, phươngpháp 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 hùynh thấp

-Mercaptan, COS, CS2

có thể tương tác với dung 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 ăn mòn cao

-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 khô

chua cao

Khử CO2 hàm lượng lớn

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

 Hàm lượng trước và sau khi làm sạch của tạp chất trong khí; hoặc ápsuất riêng phần trước và sau khi làm sạch của tạp chất trong khí