ĐỒ ÁN MÔN HỌC Công Nghệ Chế Biến Khí

Các Phương Pháp Làm Khô Khí Trong công nghiệp, các phương pháp sấy khô khí sau đây thường được sử dụng: 2.1 Làm khô bằng phương pháp hấp thụ dùng dung môi hút ẩm - Phương pháp hấp thụ

Nguyễn Trang Nhung – Lọc hóa dầu K52 Page 1

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Công Nghệ Chế Biến Khí

Đề 11: Tính toán tháp làm khô khí bằng TEG

Cấu tử C1 C2 C3 n-C4 n-C5 n-C6 H2S N2 CO2

%V 80 5.2 3.8 3.5 3.0 2.5 0.5 1.0 0.5

- Lượng khí cần làm khô: 4 triệu Nm3/ngày

- Nhiệt độ khí vào: 60oC

- Áp suất khí vào: 7,5 MPa

- Điểm sương yêu cầu: +10oC

- Áp suất khí khô: 7,3 MPa

- Lưu lượng riêng TEG nghèo: 30 kg TEG/1 kg H2O

Tính các yếu tố:

- Nồng độ tối thiểu của TEG

- Lượng dung dịch tuần hoàn

- Số đĩa lý thuyết

- Số đĩa thực tế

- Bán kính (đường kính) tháp

- Chiều cao tháp

Nguyễn Trang Nhung – Lọc hóa dầu K52 Page 2

Bài làm

Phần I: TIỀM NĂNG KHÍ Ở VIỆT NAM

 Việt Nam được thế giới nhìn nhận là một quốc gia dầu khí non trẻ trong cộng đồng các quốc gia dầu khí trên thế giới

 Theo PetroVietnam Gas Company, tiềm năng nguồn khí Việt Nam tập trung ở

5 vùng trũng chính: trũng Sông Hồng, trũng Cửu Long, trũng Nam Côn Sơn, trũng Mã lai – Thổ Chu và trũng miền Trung có khả năng cung cấp khí trong vài thập kỷ tới Các vùng trũng này đến nay vẫn đang giai đoạn nghiên cứu và đánh giá một cách chi tiết

 Hiện nay, chỉ có 2 trũng có trữ lượng thương mại là trũng Cửu Long và trũng Nam Côn Sơn thuộc thềm lục địa phía nam nước ta Trong đó mỏ dầu Bạch

Hổ và mỏ Rồng thuộc vùng trũng Cửu Long đã và đang cho sản lượng khai thác khí đồng hành quan trọng nhất

Bảng 1: Tiềm năng khí ở Việt Nam

Mỏ khí Trữ lượng thực tế

(tỉ m 3 )

Trữ lượng tiềm năng

(tỉ m 3 )

Sông Hồng Cửu Long Nam Côn Sơn

Mã Lai – Thổ Chu

Các mỏ nhỏ khác

5,6 – 11,2

42 – 70

140 – 196

14 – 42

28 – 56

84 – 140

532 – 700

84 – 140

532 – 700

Bảng 2: Triển vọng của ngành công nghiệp khí

Công nghiệp Phân đạm Vận tải Điện LNG Xuất khẩu sang Thái Lan

14%

6%

0%

30%

31%

19%

Nguyễn Trang Nhung – Lọc hóa dầu K52 Page 3

Phần II: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ LÀM KHÔ KHÍ

(DEHYDRATION)

1 Mục Đích Quá Trình Làm Khô Khí

- 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, CO2, H2S và các hợp chất hữu cơ của lưu huỳnh Một số khí (CH4, C2H6, C3H8, i- C4H10, H2S, CO2 và N2) có khả năng tạo hydrat khí làm tắc nghẽn đường ống, cản trở quá trình vận hành của các thiết bị trong quá trình chế biến khí như bơm, quạt,máy nén, thúc đẩy ăn mòn…

- Hydrat là những tập hợp chất có thể tồn tại một cách bền vững dưới dạng tinh thể Thực chất chúng là những dung dịch rắn, trong đó các phân tử nước dung môi nhờ các liên kết hydro tạo thành “khung” hydrat Trong các khoang của khung này các phân tử khí có khả năng tạo hydrat sẽ chiếm chỗ

+ Điều kiện tạo thành Hydrat chỉ khi hội đủ các yếu tố sau:

 Có nước ở dạng tự do và có sự tiếp xúc giữa khí và nước

 Điều kiện nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ tạo Hydrat

 Có các thànhphần có khả năng tạo hydrat (CH4, C2H6, C3H8, i- C4H10,

H2S, CO2 và N2)

 Có sự thay đổi áp suất như qua van giảm áp

 Có môi trường và đủ thời gian

+ Công thức của các hydrat khí:

CH4.6H2O, C2H6.8H2O, C3H8.17H2O, i- C4H10 17H2O,

H2S 6H2O, CO2 6H2O, N2.6H2O

- Nước làm giảm nhiệt trị của khí, làm giảm hoạt tính xúc tác, tăng cường ăn mòn thiết bị đặc biệt khi có H2S, CO2

 Khí cần phải được tách hơi nước (dehydrat) trước khi đưa vào chế biến bằng cách sấy khí hoặc trộn thêm vào khí tác nhân ức chế quá trình tạo hydrat

Quá trình sấy khí làm giảm hàm lượng nước có trong khí sao cho áp suất riêng phần của hơi nước nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa của hydrat, nhằm các mục đích sau:

- Ngăn ngừa sự hình thành hydrat khí

- Ngăn ngừa ăn mòn (đặc biệt khi có hơi nước)

- Tăng giá trị nhiệt cháy cho khí

- Đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của khí

Nguyễn Trang Nhung – Lọc hóa dầu K52 Page 4

2 Các Phương Pháp Làm Khô Khí

Trong công nghiệp, các phương pháp sấy khô khí sau đây thường được sử dụng:

2.1 Làm khô bằng phương pháp hấp thụ dùng dung môi hút ẩm

- Phương pháp hấp thụ được sử dụng rộng rãi để sấy khô khí tại các công trình ống dẫn khí cũng như trong các nhà máy chế biến khí

- Sự sấy khô khí bằng các chất hấp thụ này dựa trên sự khác biệt về áp suất riêng của hơi nước trong khí và trong chất hấp thụ

- Chất hấp thụ sấy khô là những dung dịch nước đậm đặc của mono-, di- và trietylenglycol

- Lượng ẩm có thể tách ra từ khí bằng các chất hấp thụ - sấy khô được xác định bằng khả năng hút ẩm của các chất hấp thụ, nhiệt độ và áp suất, sự tiếp xúc giữa khí với chất hấp thụ, khối lượng chất hấp thụ tuần hoàn trong hệ và

độ nhớt của nó

2.2 Làm khô bằng phương pháp hấp phụ dùng chất hấp phụ rắn xốp (vật liệu mao quản)

- Khi cần phải sấy khí với độ hạ điểm sương tới 100  200oC và yêu cầu khí sau khi sấy có điểm sương rất thấp -85  -100 oC, ta sử dụng phương pháp hấp phụ

- Hấp phụ là quá trình tập trung các chất trên bề mặt hoặc trong không gian của các vi lỗ xốp của chất rắn

- Quá trình sấy khô khí bằng các chất hấp phụ dựa vào khả năng của các vật thể rắn với cấu trúc xác định hấp phụ lượng ẩm từ khí ở nhiệt độ tương đối thấp và sau đó tách ẩm khi tăng nhiệt độ

- Trong công nghiệp chế biến khí, người ta thường dùng silicagel, oxit nhôm hoạt tính, boxit hoạt tính, zeolit 3A và 4A Hiện nay, việc sử dụng zeolit có nhiều triển vọng vì đạt điểm sương rất thấp và có thể làm việc ở nhiệt độ cao

2.3 Phương pháp nén khí hoặc làm lạnh

Phương pháp đơn giản nhất để làm giảm lượng ẩm có trong khí là làm lạnh khí ẩm đến nhiệt độ dưới nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp khí Hơi nước sẽ

bị ngưng tụ và tách khỏi khí dưới dạng những hạt sương

Nhưng trong đa số trường hợp, nếu chỉ làm lạnh sẽ không đủ và khó điều khiển quá trình

 Hiện nay các phương pháp hấp thụ và hấp phụ được sử dụng rất phổ biến

Nguyễn Trang Nhung – Lọc hóa dầu K52 Page 5

* So sánh ưu nhược điểm của phương pháp sấy khô khí bằng hấp thụ và hấp phụ:

Ưu điểm

- Sơ đồ thiết bị đơn giản

- Dễ tính toán thiết kế

- Dễ vận hành

- Quá trình liên tục có thể tự động hóa

- Giá thành thiết bị thấp

- Ít tiêu hao tác nhân sấy khí

- Các chất hấp thụ là các glycol:

+ dễ chế tạo, tan hoàn toàn trong nước với bất kỳ tỉ lệ nào + không ăn mòn  cho phép dùng kim loại rẻ tiền để chế tạo thiết bị

+ làm giảm nhiệt độ đông đặc của dung dịch nước  có thể dùng dung dịch nước của các glycol làm chất hấp thụ nước ở nhiệt độ âm

- Có thể đạt được điểm sương thấp và sự giải ẩm cao trong khoảng rộng của các thông số

kỹ thuật

- Sự thay đổi nhiệt độ và áp suất không gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng sấy

- Quá trình rất thuận tiện và đơn giản

Nhược điểm

- Sự sấy khí bằng glycol được thực hiện đến điểm sương không thấp hơn -25  -30oC  muốn sấy triệt để hơn cần dùng dung dịch glycol đậm đặc hơn làm gia tăng sự tiêu hao glycol cùng với khí khô

- Chất lượng sấy phụ thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ và áp suất

- Chi phí đầu tư xây dựng các thiết bị công suất lớn rất cao

- Chi phí vận hành lớn

- Không có các quá trình liên tục

- Hiệu quả của các chất hấp phụ giảm do bị nhiễm các chất chống ăn mòn, các tạp chất cơ học …

 Phải thay thế chất hấp phụ

Nguyễn Trang Nhung – Lọc hóa dầu K52 Page 6

Phần III: TÍNH TOÁN THÁP HẤP THỤ LÀM KHÔ KHÍ BẰNG TEG

1 Chất Hấp Thụ Làm Khô Khí – TEG (Trietylen glycol)

- CTPT: HO – CH2 – CH2 – O – CH2 – CH2 – O – CH2 – CH2 – OH

- TEG được sử dụng làm chất hấp thụ vì đáp ứng được các yêu cầu của một chất hấp thụ:

 Có độ hút ẩm cao

 Có áp suất hơi bão hòa đủ nhỏ để tránh thất thoát khi tái sinh

 Dễ tái sinh để đạt nồng độ cao

 Nhiệt độ sôi khác nhiệt độ sôi của nước để có thể dễ dàng tách nước (dễ dàng nhả hấp thụ để tái sinh chất hấp thụ)

 Độ nhớt đủ nhỏ để dễ dàng lưu thông trong tháp và tiếp xúc tốt với hỗn hợp khí trong tháp hấp thụ và thiết bị trao đổi nhiệt…

 Ít hòa tan hoặc không hòa tan Hydrocacbon

 Chịu được nhiệt độ lạnh (không bị đông cứng) khoảng -20  -30oC

 Tính ăn mòn kém

 Khả năng tạo bọt kém khi tiếp xúc với dòng khí

 Có độ bền nhiệt và bền oxy hóa cao

 Không độc hại cho người làm việc, không gây ô nhiễm môi trường

 Giá thành rẻ

- Một số tính chất hóa lý quan trọng của TEG

Khối lượng phân tử

Khối lượng riêng ở 25oC, g/ml

Điểm sôi ở 760 mmHg, oC

Điểm đông đặc, oC

Nhiệt độ bắt đầu phân hủy, oC

Nhiệt độ tái sinh, oC

Độ nhớt động lực ở 25oC, cP

Nhiệt dung riêng ở 25 oC, kJ/kg. oC

150,2 1,119 285,5 -7,2 206,7

185  200 37,3 0,69

Nguyễn Trang Nhung – Lọc hóa dầu K52 Page 7

- Một số nhận xét về ảnh hưởng của TEG đến quá trình sấy khí:

 Nồng độ dung dịch TEG càng cao, mức độ sấy khí càng cao, tức là khí

sau khi sấy có điểm sương càng thấp

 Độ hạ điểm sương T cho biết mức độ sấy khí của chất hấp thụ

Độ hạ điểm sương phụ thuộc vào nồng độ dung dịch TEG, nhiệt độ tiếp

xúc của dung dịch TEG với khí ẩm và lưu lượng tưới dung dịch TEG:

+ Nồng độ glycol sạch là yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất đến điểm sương

của khí, nó cao hơn ngay cả khi tăng lưu lượng tuần hoàn glycol

Muốn làm khô triệt để thì cần dung dịch glycol có độ sạch càng cao

+ Nhiệt độ tiếp xúc của dung dịch TEG với khí ẩm càng lớn, độ hạ

điểm sương càng cao

+ Khi giảm nồng độ TEG (tức là lượng nước trong tháp hấp thụ tăng

lên) ảnh hưởng của lưu lượng nước tưới dung dịch TEG đến T giảm

đi (Đồ thị hình 1)

Trong thực tế thường sử dụng mật độ tưới 10  35 lít TEG cho 1 kg

hơi ẩm tách khỏi khí

 TEG có nhiệt độ phân hủy cao (Tph = 206,7oC) nên trong thiết bị tái sinh

TEG, nhiệt độ được duy trì trong khoảng 185  200oC và có thể tái sinh

TEG mà không cần chân không (tháp nhả hấp thụ không cần làm việc ở

điều kiện chân không)

Hình 1: Sự phụ thuộc độ hạ điểm sương

của khí vào mật độ tưới dung dịch TEG

Hình 2: Sự phụ thuộc áp suất hơi bão hòa

của TEG vào nhiệt độ

Nguyễn Trang Nhung – Lọc hóa dầu K52 Page 8

 Tóm lại, với các ưu điểm của TEG như:

- Có độ hút ẩm cao,

- Tạo được điểm sương cho khí sau làm khô khá cao (47oC)

- Khi tái sinh dễ dàng thu được dung dịch có nồng độ khối lượng cao trên 99%

Nên nó được dùng trong hầu hết các hệ thống làm khô khí

2 Sơ Đồ Nguyên Tắc Cụm Thiết Bị Hấp Thụ Làm Khô Khí Bằng TEG

* Kí hiệu thiết bị: * Kí hiệu dòng:

1: Tháp hấp thụ I: Khí ngyên liệu ẩm

2, 4: TB trao đổi nhiệt II: Khí đã làm khô

3: TB thổi khí để tách III: Dòng TEG giàu ra khỏi

Hydrocacbon hòa tan đáy tháp hấp thụ

5: Tháp tái sinh IV: Dòng hơi nước (có một ít TEG)

6: TB gia nhiệt V: Dòng TEG bổ sung nếu cần

7: TB làm nguội VI: Dòng TEG tái sinh (TEG nghèo)

8: Bồn chứa VII: dòng hơi nước quá nhiệt

9: Bơm hoặc dòng dầu nóng VIII: Khí thổi ra

IX: Hơi nước đi vào khí quyển

Nguyễn Trang Nhung – Lọc hóa dầu K52 Page 9

- Điều kiện làm việc của tháp hấp thụ: Quá trình hấp thụ tỏa nhiệt nên làm việc

ở nhiệt độ thấp(15 – 38oC) để tránh chảy nhớt và áp suất cao (6  8,5 MPa)

- Điều kiện làm việc của tháp tái sinh: Làm việc ở áp suất thấp (1  1,2 bar) và nhiệt độ cao (115 oC  T  Tphân hủy Glycol), nhiệt độ lớn hơn 115 oC (nhiệt độ sôi của nước) để nước bay hơi hết

- Thuyết minh sơ đồ:

Trong tháp hấp thụ 1, dòng khí ẩm đi từ dưới lên còn dung môi hấp thụ TEG được tưới từ trên xuống, hơi nước bị dung dịch TEG hấp thụ

Khí đã được sấy khô đi ra ở đỉnh tháp, còn dung dịch TEG đã hấp thụ nước được lấy ra ở phía dưới TEG hấp thụ nước qua thiết bị trao đổi nhiệt 2 được đun nóng sơ bộ đi vào TB thổi khí 3 để tách Hydrocacbon đã bị hấp thụ

Tiếp theo, TEG được đun nóng trong TB trao đổi nhiệt 4 và TB giải hấp thụ

5 Hơi nước giải phóng đi ra ở phía trên của tháp giải hấp thụ 5, phần còn lại là TEG tái sinh được làm nguội trong TB trao đổi nhiệt 4, 2 và sinh hàn 7, đi vào bồn chứa 8, từ đây bằng bơm 9 sẽ đi vào TB hấp thụ 1 (bồn chứa 8 sẽ được bổ sung một lượng glycol mới khi cần thiết)

Nguyễn Trang Nhung – Lọc hóa dầu K52 Page 10

3 Tính Toán Tháp Hấp Thụ Làm Khô Khí Bằng TEG

Bước 1 : Cụ thể hóa các số liệu ban đầu

- Thành phần khí ngyên liệu

Cấu tử C1 C2 C3 n-C4 n-C5 n-C6 H2S N2 CO2

%V 80 5.2 3.8 3.5 3.0 2.5 0.5 1.0 0.5

- Lượng khí cần làm khô: 4 triệu Nm3/ngày = 166666,67 Nm3/h

- Nhiệt độ khí vào: 60oC

- Áp suất khí vào: 7,5 MPa

- Điểm sương yêu cầu: +10oC

- Áp suất khí khô: 7,3 MPa

- Lưu lượng riêng TEG nghèo: 30 kg TEG/1 kg H2O

Dựa vào nhiệt độ tiếp xúc Ttx (bằng nhiệt độ của khí nguyên liệu) và điểm sương của khí đã sấy khô để xác định nồng độ tối thiểu αmin của TEG cần để thu được điểm sương cho trước của khí thông qua đồ thị hình II.8 (trang 98 – [1])

Trong tháp tiếp xúc (contactor), TEG sạch chỉ tiếp xúc với khí tại mâm trên cùng còn ở các mâm dưới nồng độ TEG bị giảm đi do đã hấp thụ nước Cho nên trong tháp tiếp xúc, điểm sương thực tế của khí đã làm khô sẽ cao hơn từ

5 - 8oC so với điểm sương cân bằng

Theo bài cho điểm sương của khí khô yêu cầu là +10oC Chọn điểm sương thấp hơn 8oC

Vậy nhiệt độ điểm sương của khí khô để tra đồ thị sẽ là 2oC

Theo bài ra, nhiệt độ của khí nguyên liệu là 60oC, do quá trình hấp thụ là quá trình tỏa nhiệt nên làm việc ở điều kiện nhiệt độ thấp để tránh chảy nhớt (15 - 38 oC) Thường thì nhiệt độ làm việc của tháp hấp thụ xấp xỉ nhiệt độ môi trường nên khí nguyên liệu trước khi vào tháp ta làm lạnh bằng không khí từ 60oC xuống 40oC

 Nhiệt độ khí nguyên liệu vào tháp (nhiệt độ tiếp xúc) là 40oC

Từ đồ thị hình II.8 ta có tọa độ của: điểm sương cân bằng 2oC và nhiệt độ tiếp xúc (bằng nhiệt độ khí nguyên liệu) 40oC rơi vào đường nồng độ TEG

sạch là 98% Đây chính là nồng độ TEG sạch yêu cầu Vậy α min = 98%

Nguyễn Trang Nhung – Lọc hóa dầu K52 Page 11

của khí thành phẩm W2

Theo bài ra thành phần của khí nguyên liệu có lượng H2S chiếm 0,5%V

Vậy hàm lượng của H2S được xác định như sau:

- Trong 1 std m3 (= 1000 lit) khí nguyên liệu chứa thể tích H2S là:

= 1000 , = 5 (lít)

- Ở đktc: T = 15 + 273 = 288oC, P = 1atm

Từ PT trạng thái: PV = nRT, khi n = 1 mol ta có thể tích của 1 mol khí VM là:

VM = =

= 23,6 l/mol

- Số mol của H2S chiếm trong 1std m3 khí nguyên liệu ở đktclà:

n = =

 Khối lượng của H2S chiếm trong 1std m3 khí nguyên liệu ở đktclà:

m = 0,2119  34 g/mol = 7,2046 g = 7204,6 mg/std m3 >> 5,7 mg/ std m3 Theo quy ước: khí chua là khí có hàm lượng H2S  5,7 mg/ std m3

Mà trong thành phần khí nguyên liệu còn có cả CO2: % = 0,5 %

Vậy khí nguyên liệu đã cho là khí chua nên khi xác định hàm lượng ẩm của khí nguyên liệu phải xét cả hàm lượng ẩm do H2S và CO2 đóng góp

Áp dụng CT tính hàm lượng ẩm W1 của khí nguyên liệu đối với khí chua:

W1 = yHC .WHC + y W + y W

Trong đó:

WHC – hàm lượng ẩm của thành phần Hydrocacbon trong khí

– hàm lượng ẩm do H2S đóng góp – hàm lượng ẩm do CO2 đóng góp

y – phần mol của H2S

y – phần mol của CO2

yHC – phần mol của Hydrocacbon,

( yHC = 1 - y - y )