Sấy khô khí bằng phương pháp hấp thụ dùng MEG

Hàm lượng hơi nước trong khí đồng hành và khí thiên nhiên cần phải biết vì hơi nước có thể bị ngưng tụ trong các hệ thống công nghệ xử lý sau này, hình thành các hydrat các tinh thể chấ

Lời Mở Đầu

Khí đồng hành và khí thiên nhiên khai thác từ lòng đất thường bão hòa hơi nước và hàm lượng hơi nước phụ thuộc vào ấp suất, nhiệt độ, và thành phần hóa học của khí Mỗi một giá trị nhiệt độ và áp suất tương ứng với hàm lượng nước cực đại

có thể nhất định Hàm lượng ẩm tương ứng với hơi nước bão hòa tối đa được gọi là

độ ẩm cân bằng

Hàm lượng hơi nước trong khí đồng hành và khí thiên nhiên cần phải biết vì hơi nước có thể bị ngưng tụ trong các hệ thống công nghệ xử lý sau này, hình thành các hydrat ( các tinh thể chất rắn ) dễ đóng cục chiếm các khoảng không trong các ống dẫn hay các thiết bị, phá vỡ điều kiện làm việc bình thường đối với các dây chuyền khai thác, vận chuyển và chế biến khí Ngoài ra sự có mặt của hơi nước và các hợp chất chứa lưu huỳnh ( H2S và các chất khác ) sẽ làm giảm nhiệt trị của khí, làm giảm hoạt tính xúc tác trong các quá trình chế biến và là tiền đề thúc đẩy ăn mòn kim loại, làm giảm tuổi thọ và thời gian sử dụng của các thiết bị, công trình

Trước những nguy cơ về tác hại to lớn của hơi nước có mặt trong khí thiên nhiên và khí đồng hành trong các quy trình công nghệ thì việc làm khô khí sao cho đạt yêu cầu về tiêu chuẩn kỹ thuật là một nhiệm vụ bắt buộc để đảm bảo khả năng hoạt động ổn định và hiệu quả của các dây chuyền công nghệ chế biến các sản phẩn khí sau này Khí được sấy khô với mục đích tách hơi nước và tạo ra cho khí có nhiệt

độ điểm sương theo nước thấp hơn với nhiệt độ cực tiểu mà tại đó khí được vận chuyển hay chế biến

Do vậy, trong phạm vi của đồ án này, chúng ta sẽ tính toán các thông số tháp của quá trình làm khô khí bằng phương pháp Hấp thụ dùng MonoEtylenGlycol (MEG)

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo, TS Nguyễn Danh Nhi, Bộ môn Lọc Hóa Dầu, Đại Học Mỏ Địa Chất đã giúp em hoàn thành đồ

án này Trong quá trình thực hiện đồ án không thể tránh khỏi những sai sót, mong thầy đóng góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện

Hà Nội, ngày 02 tháng 11 năm 2011

SV Bùi Quang Hiếu

Chương I - Tổng quan về quá trình công nghệ sấy khô khí

I Cơ sở lý thuyết

Hydrat là những hợp chất có thể tồn tại một cách bền vững dưới dạng tinh thể Thực chất 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 như metan, etan, propan, isobutan, nitơ, H2S, CO2, argon

sẽ chiếm chỗ Các hydrocacbon với phân tử của nó có thể xâm nhập vào “khung” cùng với các phân tử khí có kích thước nhỏ hơn, dẫn tới thay đổi áp suất cân bằng trên các hydrat Mức độ chiếm chỗ trong khung của các phân tử khí tạo hydrat đối với thành phần khí đã cho chủ yếu phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ của hệ Các tinh thể hydrat hình thành trên bề mặt phân chia pha của hệ khí-nước Nước tự do còn lại sau khi đã hình thành các hydrat chỉ tiếp tục chuyển thành trạng thái hydrat khi có sự khuấy trộn các pha và khi có những điều kiện nhiệt động thích hợp Khi không có sự khuấy trộn thì quá trình khuếch tán của khí qua lớp màng cứng của các hydrat rất khó khan và sự phát triển liên tục của các hydrat sẽ không xảy ra

Điều kiện hình thành các hydrat ngoài ra còn phụ thuộc vào hàm lượng của muối có trong nước, hàm lượng của chúng tăng sẽ dẫn đến giảm nhiệt độ bắt đầu tạo thành hydrat Nhiệt độ này cũng phụ thuộc vào thành phần khí, ví dụ nhiệt độ bắt đầu tạo thành hydrat của metan khi có mặt propan, CO2, H2S sẽ thấp hơn so với khi vắng mặt các chất này Hình dạng của hydrat rất đa dạng, nó được xác định bởi thành phần khí và các điều kiện nhiệt động học Thông thường về hình dạng chúng giống như nước đá hay tuyết âm nén

Nhằm ngăn ngừa sự hình thành các hydrat người ta sử dụng rộng rãi phương pháp ức chế tức là phương pháp đưa vào dòng khí các chất khác nhau gọi là các chất ức chế làm hạ nhiệt độ tạo thành hydrat như methanol, glycol … và phương pháp làm khô (tách nước) khí dựa trên cơ sở tách hơi nước ra khỏi khí bằng các chất hấp thụ lỏng hoặc rắn

- Phương pháp ức chế: thực chất là cho chất ức chế vào dòng khí ẩm, chất ức chế

sẽ tan trong nước tự do, kết quả là làm giảm áp suất hơi nước và hạ nhiệt độ tạo thành hydrat Hiện nay các chất ức chế ngăn ngừa sự tạo thành hydrat thông dụng nhất là:

o Sử dụng chất ức chế là methanol, cần có khu vực khử hydrat và khu vực khử axit

o Sử dụng chất ức chế glycol

Trong thực tế thường sử dụng các loại glycol: EG, DEG,TEG với nồng độ khoảng 60 - 80 % khối lượng Việc lựa chọn một loại glycol sử dụng đạt hiệu quả cao chomột quá trình xử lý khí nào đó phụ thuộc vào :

 T đông đặc và độ nhớt của dung dịch glycol ;

 độ hạ T tạo hydrate đối với nồng độ glycol đã cho ;

 khả năng hòa tan của glycol trong HC ngưng tụ ;

 thành phần khí

Độ hạ T điểm sương của khí phụ thuộc vào loại chất ức chế,nồng độ của nó và

T khí tiếp xúc với chất ức chế

Những ưu điểm mà các glycol có được

Không gây độc với người và môi

trường

Gây độc hại với người và môi trường

Có áp suất hơi bão hòa rất thấp và có

khả năng thu hồi rất cao bằng phương

pháp vật lí đơn giản là cô đặc các dung

dịch nước chứa glycol

Áp suất hơi bão hòa cao do vậy khó tách ra khỏi dòng khí, việc tái sinh nó rất phức tạp nên việc tiêu hao chất ức

chế là lớn

Nhiệt độ sôi cao nên khó bị bay hơi

Tránh mất mat khỏi thiết bị

Nhiệt độ sôi thấp nên khả năng thất

thoát là rất cao

Không gây ăn mòn cho thiết bị Một số phân xưởng đôi khi cần thiết kế

thêm các thiết bị loại axit có thể sinh

ra

- Phương pháp hấp phụ: các phương pháp hấp phụ cho phép đạt điểm sương theo

ẩm trong khoảng 100–200oC và sấy sâu khí đến điểm sương -85 ÷ -100oC Các chất hấp phụ có thể chia thành : Boxit là khoáng thiên nhiên chứa chủ yếu là oxit nhôm ; oxit nhôm hoạt hóa là Boxit đã làm sạch ; các loại Gel là những hợp chất cấu tạo từ oxit silic và alumogel ; các rây phân tử là các zeolite Các chất hấp phụ

có bề mặt riêng rất lớn ( 500-800 m2/g ) và bề mặt này được tạo thành từ các mao quản hay mạng tinh thể Các quá trình hấp phụ có thể thực hiện gián đoạn trong các thiết bị với tầng thấp hấp phụ cố định hoặc liên tục với các thiết bị chứa các

lớp hấp phụ chuyển động Tuy nhiên các quá trình liên tục rất ít khí được sử dụng

do các thiết bị công nghệ rất phức tạp

- Phương pháp thẩm thấu khí: Cho đến nay, quá trình dehydrat hóa bằng thẩm thấu

khí hầu như không còn được sử dụng trong công nghiệp xử lý khí nữa do những yêu cầu kỹ thuật quá cao của quá trình Để déshydrat hóa khí bằng thẩm thấu phải lựa chọn những hợp chất cao phân tử thích hợp có αij rất lớn, khoảng 200.000 (với loại màng mỏng đồng thể và không hề có khuyết tật) và khoảng 300 ÷ 500 (với loại chùm sợi rỗng) Hơn nữa, phải chấp nhận một lượng C1 thẩm thấu qua màng lọc để màng lọc được chọn có bề mặt riêng không quá lớn

- Phương pháp hấp thụ: phương pháp hấp thị 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 Chất hấp thụ sấy khô là những dung dịch nước đậm đặc của mono- , di- và trietylenglycol

Sự sấy khô khí bằng các chất hấp thụ này dựa trên sự khác biệt về áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí và trong chất hấp thụ Giá trị điểm sương của khí được đảm bảo bằng dung dịch Glycol

So sánh ưu nhược điểm của các dung môi hấp thụ nước:

MEG

Ít tan trong khí ngưng tụ Dung dịch đậm đặc không bị đông đặc

Độ nhớt thấp tăng khả năng tiếp xúc với hỗn hợp khí Có khả năng ngăn ngừa tạo hidrat cao hơn DEG

và TEG

Áp suất hơi bão hòa cao hơn DEG và TEG Nhưng

độ hòa tan trong HC cao hơn DEG và TEG

DEG

Độ hút ẩm cao, khá bền khi có mặt các hợp chất lưu huỳnh, O2 và

CO2 ở nhiệt độ thường Dung dịch đậm đặc không bị đông đặc ở nhiệt độ cao có độ chọn lọc cao

Tiêu hao do thất thoát cao hơn TEG Khi tái sinh khó thu được DEG nồng độ

>95% Điểm sương thấp hơn so với TEG Giá thành cao

TEG

Độ hút ẩm cao Tạo điểm sương cho khí sấy cao (27.8 – 47.3oC) độ bền cao khi có mặt các hợp chất lưu huỳnh, O2 và CO2 ở nhiệt độ

Đòi hỏi chi phí đầu tư cao

Dung dịch TEG có khả năng tạo màng khi có mặt các HC nhẹ Độ hòa tan

Ưu điểm Nhược điểm

bình thường Khi tái sinh dễ thu được nồng độ cao >99% Dung dịch không bị đông đặc Độ bay hơi TEG thấp hơn DEG

của các HC nhẹ trong TEG cao hơn DEG

Metanol

Giá thành rẻ Được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống vận chuyển Điều kiện thường dung dịch đậm đặc không bị đông đặc

Có độ nhớt thấp nhất nên khả nẳng tiếp xúc với hỗn hợp khí là cao hơn các glicol

Có áp suất riêng phần cao lên khó tách ra khỏi khí khi tái sinh Tiêu hao lớn

Đặc tính vật lý của các Glycol và Metanol (dùng làm khô khí)

ĐẶC TÍNH VẬT

Công thức

HC-CH2

-CH2-OH

HO-(CH2

-CH2 -O)2-H

HO-(CH2

-CH2 -O)3-H

HO-(CH2

-CH2 -O)4-H

CH3OH

Điểm sôi ở áp

suất 760mmHg,

( o C)

197.3 224.8 285.5 314 64.5

Áp suất hơi ở

25 o C, (mmHg) 0.12 <0.01 <0.01 <0.01 120

Khối lượng riêng

Khối lượng riêng

ở 25 o

C,

(pound/usgall)

9.26 9.29 9.34 9.34 6.59

Điểm đông đặc,

( o C) -13.3 -8.3 -7.2 -5.6 -97.8

ĐẶC TÍNH VẬT

Độ

nhớt

động

lực

(cP)

25oC 16.5 28.2 37.3 44.6 0.52

60oC 4.68 6.99 8.77 10.2 -

Sức căng bề mặt

Chỉ số khúc xạ ở

25 o C 1.430 1.446 1.457 1.457 20.328

Nhiệt dung riêng

Điểm chớp cháy

cốc kín ( oC)(flash

point)

115.6 123.9 1.769 204.4 12.0

Điểm chớp cháy

côc hở ( oC) (fire

point)

118.3 143.3 165.6 190.6 -

Nhiệt

độ

phân

hủy

o

oC 165 206.7 206.7 237.8 -

II Sơ đồ nguyên tắc công nghệ sấy khô khí bằng phương pháp hấp thụ

dùng Glycol [1]

1 Tháp hấp thụ I Khí nguyên liệu ẩm

2, 4 T.Bị Trao đổi nhiệt II Khí đã làm khô

3 TB thổi khí để tách HC hòa tan III Dòng glycol giàu

5 Tháp tái sinh IV Dòng khí thổi ra

6 TB gia nhiệt V Dòng glycol bổ sung nếu cần

7 TB làm nguội VI Dòng glycol tái sinh (glycol nghèo)

8 Bồn chứa VII Dòng hơi nước (chứa 1 ít glycol)

9 Bơm

Điều kiện hoạt động

- Tháp hấp thụ (1):

+ Nhiệt độ thấp (15 – 38oC)

+ Áp suất cao (60 – 85 bar)

- Tháp tái sinh (5):

+ Nhiệt độ cao: Tđỉnh (115oC) ≤ Tđáy ≤ Tp.hủy glycol

+ Áp suất thấp (1 – 1.2 bar)

Chương II - Tính toán các thông số cơ bản của tháp làm

khô khí bằng phương pháp hấp thụ dùng

MonoEtylenGlycol

I Dữ liệu ban đầu [3]

- Thành phần khí :

Cấu tử C1 C2 C3 n-C4 i-C4 n-C5 n-C6 N2 He

%V 82.0 4.7 3.8 2.5 2.8 1.5 1.2 1.0 0.5

- Nhiệt độ khí nguyên liệu : 50oC

- Lưu lượng khí nguyên liệu : 5.106 (std m3/ngày đêm)

- Áp suất khí nguyên liệu : 68 bar

- Áp suất khí khô : 66 bar

- Điểm sương khí khô : 10oC

- Chất hấp thụ MEG (Mono Etylen Glycol)

- Lưu lượng riêng chất hấp thụ 30 (Kg/Kg H2O)

II Yêu cầu tính

- Nồng độ tối thiểu của Glycol

- Lượng dung dịch tuần hoàn/h (kg/h, kmol/h)

- Số đĩa lý thuyết của tháp

- Đường kính tháp

- Chiều cao tháp

III Các bước tính toán [1]

Bước 1 : Cụ thể hóa các số liệu ban đầu

 Lưu lượng khí nguyên liệu V = 5.106

std m3/ngày đêm = 208333,33 std m3

/h

 Áp suất khí nguyên liệu 68 bar = 6,8 MPa

 Áp suất khí khô 66 bar = 6,6 MPa

 Khối lượng phân tử trung bình của khí nguyên liệu

∑ Trong đó : Mi khối lượng phân tử của cấu tử i

Ci phần trăm cấu tử i

Suy ra, M = 21,68 đvC

Bước 2 : Xác định nồng độ Glycol tái sinh tối thiểu

Dựa vào nhiệt độ tiếp xúc (được nhận bằng nhiệt độ của khí cần sấy khô) và điểm sương của khí đã sấy khô để xác định nồng độ của Glycol tái sinh tối thiểu αmin

cần để thu được điểm sương cho trước của khí thông qua sơ đồ hình II.5 (trang 96 – [1]), giản đồ này phản ánh các giá trị cân bằng, mà trong điều kiện thực tế không đạt được, nên để xác định nồng độ Glycol theo đồ thị này ta phải nhận điểm sương của khí thấp hơn giá trị đã cho 5-8oC

Ta chọn nhiệt độ điểm sương thấp hơn giá trị đã cho 5oC, tức nhiệt độ điểm sương là 5o

C Dựa vào đồ thị hình II.5 suy ra :

Nồng độ Glycol tái dinh tối thiểu αmin = 96%

Bước 3 : Xác định hàm ẩm của khí cần sấy khô

Dựa vào đồ thị hình II.1 (trang 90 – [1]) hoặc sơ đồ IV.1a (trang 79 – [2]) ta xác định hàm ẩm của khí cần sấy khô w1 và của khí đã sấy khô w2

Với khí nguyên liệu ở điều kiện T = 50oC ; 6,8 Mpa

w1 = 1,80 g/m3 = 0,0018 (kg/m3) Với khí khô ở áp suất 6,6 MPa và có nhiệt độ điểm sương là 10oC

w2 = 0,21 g/m3 = 0,00021 (kg/m3)

Bước 4 : Tính lưu lượng chất hấp thụ tái sinh

L1 = V.(w1 – w2).l (kg/h) Trong đó:

V là thể tích khí nguyên liệu (std m3/h)

l là lưu lượng riêng chất hấp thụ (kg/kg H2O)

w1 , w2 là hàm ẩm của khí cần sấy khô và khí đã sấy khô (kg/ m3 )

Suy ra, L1 = 208333,33*(0,0018 – 0,00021 )*30 = 9937,5 (kg/h)

Bước 5 : Tính nồng độ Glycol bão hòa xác định theo phương trình cân bằng vật chất dựa trên độ ẩm trong pha lỏng và khí

( )

Ta chọn nồng độ ban đầu của dung dịch Glycol là α1 = 96,5 % lớn hơn nồng độ tối thiểu của Glycol là αmin = 96%

Từ đó suy ra :

( )

( )

Bước 6 : Tính lượng dung dich Glycol bão hòa sau khi hấp thụ

( )

( ) ( )

Mặt khác, khối lượng phân tử trung bình Mtb của dung dịch glycol bão hòa có thể coi xấp xỉ bằng: 0,934*62 + (1 – 0.934)*18 = 59,09 đvC

Suy ra,

( )

Bước 7 : Tính hằng số cân bằng theo phương trình

*( ) +

( ) Trong đó M0 là khối lượng phân tử của chất hấp thụ MEG nên M0 = 62 đvC

*( ) +

( )

Bước 8 : Xác định yếu tố hấp thụ A theo công thức

Trong đó :

L’ là lưu lượng lỏng dung môi vào tháp tính ra Kmol/h

V’ lưu lượng khí cần làm khô tính ra Kmol/h

- Xác định L ’ từ L 1 : theo tính toán ở trên ta có L1 = 9937,5 (kg/h) Khối lượng

phân tử trung bình của dung môi hấp thụ được tính theo công thức:

( ) Suy ra, ( )

- Xác định V ’:

o theo trên ta có V = 208333,33 (std m3/h)

Suy ra V’ =

(kmol/h) Vậy :

Bước 9 : Hệ số tách ẩm thực tế của quá trình hấp thụ

Bước 10 : Hệ số tách lý thuyết khi tính toán có chú ý đến lượng nước trong glycol tái sinh

Trong đó :

X0 là nồng độ phần mol của nước trong chất hấp phụ tái sinh

Yn+1 là phần mol nước trong khí cần sấy khô

Do đó:

Bước 11 : Tính số đĩa lý thuyết

Ta có:

Trong đó,

n – là số đĩa lý thuyết của tháp hấp thụ

A – là yếu tố hấp thụ đã tính ở bước 8

Suy ra:

Bước 12 : Tính số đĩa thực tế

Theo kinh nghiệm thực tế thì hiệu suất làm việc của đĩa là từ 0,25-0,4

Ta chọn hiệu suất làm việc của đĩa là : η = 0,3

Vậy số đĩa thực tế của tháp hấp thụ là 10 đĩa