Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí

Các thi t bị chính có trong qúa trình ch bi n bằng ph ơng pháp ng ng tụ nhi t độ th p... Trong ph m vi đ án này ta chỉ nghiên cứu ph ơng pháp ch bi n khí bằng ph ơng pháp ng ng tụ nhi t

Ph ạm Anh Tuấn 1

M ỤC LỤC

L I M Đ U 3

T NG QUAN LÝ THUY T 4

I, Gi i thi u chung về khí tự nhiên và khí đ ng hành 4

1, Thành ph n và tính ch t chung của khí tự nhiên và khí đ ng hành[1] 4

2, Lịch sử phát triên của khí tự nhiên 5

II, Các ph ơng pháp ch bi n khí tự nhiên và khí đ ng hành 7

1, Chuẩn bị để ch bi n 7

2, Ph ơng pháp ch bi n khí bằng ph ơng pháp ng ng tụ 8

3, Ch bi n khí bằng ph ơng pháp h p thụ 9

4, Ch bi n khí bằng ph ơng pháp ch ng c t 10

III, Cơ s hóa lý của quá trình ng ng tụ nhi t độ th p 11

1, Khái ni m về quá trình ng ng tụ 11

2, Đặc điểm của quá trình ng ng tụ 11

3, Quá trình chuyển pha của khí đ ng hành 12

4, Hằng s cân bằng pha[1] 16

5, Ph ơng pháp tính thành ph n l ng hơi[1] 16

6, Quá trình ng ng tụ nhi t độ th p trong ch bi n khí đ ng hành 17

IV, T ng quan về các công ngh ch bi n khí bằng ph ơng pháp ng ng tụ nhi t độ th p 19

1 Phân lo i các sơ đ công ngh 19

2 Phân tích lựa chọn công ngh [1] 20

3 Các thi t bị chính có trong qúa trình ch bi n bằng ph ơng pháp ng ng tụ nhi t độ th p 27

Ph ạm Anh Tuấn 2

TÍNH TOÁN 33

I, Mô ph ng công ngh bằng ph n mềm HYSYS 33

1 Xây dựng cơ s mô ph ng 33

2 Xây dựng l u trình chính 33

3 Thi t l p chu trình làm l nh bằng propan 37

4 Thi t l p Spreadsheet xác định l ợng propan 39

II K t qu 41

1, Cân bằng chung của quá trình 41

2 Cân bằng v t ch t t i các tháp tách 43

3 Cân bằng nhi t l ợng t i các tháp tách 46

4 Kích th c thi t bị chính 48

K T LU N 49

TÀI LI U THAM KH O 50

Ph ạm Anh Tuấn 3

L I M Đ U

Ngành d u khí Vi t Nam là một ngành m i phát triển đ ợc hơn 20 năm nh ng đư chi m một ph n quan trọng trong sự phát triển của đ t n c Đặc bi t là ngành công nghi p ch bi n d u khí Đây là một trong những tiền đề cơ b n để phát triển các ngành công nghi p quan trọng của đ t n c

Cùng v i quá trình khai thác và ch bi n d u thô, thì ngành công nghi p ch bi n khí hi n đang phát triển m nh m S n phẩm của các nhà máy ch bi n khí của Vi t Nam

hi n nay là khí khô th ơng phẩm, LPG và condensate Trong đó có hai lo i s n phẩm LPG và Condensate đư đ ợc t n dụng tri t để mang l i hi u qu kinh t mang l i hi u qu kinh t cho qu c gia S n phẩm khí khô th ơng phẩm mà thành ph n chủ y u là khí metan

và etan, ph n l n đ ợc dùng làm nhiên li u cho các nhà máy đi n, chi m 85 ậ 90% s n

l ợng khí, có giá trị kinh t th p Trong khi đó, l ợng khí dùng làm nguyên li u cho các nhà máy đ m Cà Mau và đ m Phú Mỹ, chỉ chi m 6%[9]

Cùng v i sự phát triển khoa học kĩ thu t, từ khí tự nhiên và khí đ ng hành ng i ta

đư s n xu t ra nhiều s n phẩm khác nhau nh : r ợu, axeton, NH3, phân bón, ch t tẩy rửa

t ng hợpầ đ ợc ứng dụng trong nhiều ngành nh : mỹ phẩm, d t may, đ gia dụngầ

phục vụ cho công nghi p và đ i s ng nhân dân

Chính vì những lợi ích to l n mà nghành d u khí nói chung và ngành ch bi n khí nói riêng đem l i thì vi c đ u t và phát triển công nghi p ngành công nghi p mũi nhọn này là một đi đúng h ng của đ ng và nhà n c ta nhằm thúc đẩy kinh t và c i thi n đ i

s ng nhân dân

Trong ph m vi đ án này ta chỉ nghiên cứu ph ơng pháp ch bi n khí bằng ph ơng pháp ng ng tụ nhi t độ th p vì ph ơng pháp này vừa đơn gi n mà cho hi u qu cao, và có tính kh thi nh t

Ph ạm Anh Tuấn 4

T NG QUAN LÝ THUY T

I, Gi i thi u chung v ề khí tự nhiên và khí đ ng hành

1, Thành ph n và tính ch t chung c ủa khí tự nhiên và khí đ ng hành [1]

Những c u tử cơ b n của khí tự nhiên và khí đ ng hành là: metan, etan, propan, butan (normal và izo) Khí tự nhiên đ ợc khai thác từ các m khí, còn khí đ ng hành

đ ợc khai thác từ các m d u đ ng th i v i quá trình khai thác d u m Trong khí tự nhiên thành ph n chủ y u là metan (chi m đ n 98% thể tích) Các m khí tự nhiên là các túi khí nằm sâu d i mặt đ t

Khí đ ng hành nh n đ ợc từ các m d u cùng v i quá trình khai thác d u m Trong thành ph n của khí đ ng hành ngoài c u tử chính là metan còn có etan, propan, butan và các hydrocacbon nặng v i hàm l ợng đáng kể Thành ph n những c u tử cơ b n trong khí thay đ i trong ph m vi khá rộng tùy theo m d u khai thác Ngoài ra trong thành ph n khí tự nhiên và khí đ ng hành còn có H2O, H2S, cùng các hợp ch t chứa l u

huỳnh, S, N2 và heli

Ng i ta còn phân lo i khí theo hàm l ợng hydrocacbon từ propan tr lên Khí giàu propan, butan và các hydrocacbon nặng (trên 150g/m3) đ ợc gọi là khí béo (khí d u)

Từ khí này ng i ta ch xăng khí, khí hóa l ng LPG và các hydrocacbon cho công ngh

t ng hợp hữu cơ Còn khí chứa ít hydrocacbon nặng (từ propan tr lên, d i mức 50g/m3)

gọi là khí khô (khí g y), đ ợc sử dụng làm nhiên li u cho công nghi p và đ i s ng, làm nguyên li u cho công ngh t ng hợp hữu cơ, nguyên li u cho s n xu t phân đ m, s n xu t etylen, axetylen, etanolầ

R ng (lô 09)

R ng Đông (lô 09) Ruby (lô 09) Khí tự do Đ ng hành

Khí tự nhiên đư đ ợc phát hi n từ th i c đ i Trung Đông Hàng ngàn năm tr c,

nó đ ợc chú ý đ n khi xu t hi n ngọn lửa cháy mãi không tắt do sét đánh t i những nơi khí rò rỉ T i Persia, Hy L p và n Độ, họ đư xây dựng những đền th i xung quanh những nơi đó để phục vụ tôn giáo Tuy nhiên, giá trị về năng l ợng không đ ợc chú ý cho đ n

t n những năm 900 TCN, ng i Trung Qu c đư khoan gi ng khí tự nhiên đ u tiên vào năm 211 TCN T i Châu Âu, khí tự nhiên không đ ợc bi t đ n cho đ n khi đ ợc phát

hi n t i Anh vào năm 1659, mặc dù đ n t n 1790 nó m i đ ợc th ơng m i hóa Năm

1821 t i Fredonia, Mỹ ng i dân đư phát hi n th y những bọt khí n i lên t i một con l ch Wiliam Hart, đ ợc coi cha đẻ của ngành khí thiên nhiên, đư đào gi ng khí đ u tiên t i Bắc

sự ti n bộ trong h b n chứa và v n chuyển khí

N c Nga là n c có trữ l ỡng khí l n nh t th gi i, chi m kho ng 23,9% Cho

đ n năm 2010, t ng s n l ợng khí đ t kho ng 588,9 tỉ m3khí Trong đó kho ng 1/3 dùng

để xu t khẩu sang châu Âu và các n c SNG Ngu n lợi thu từ vi c xu t khẩu d u và khí

vô cùng to l n khi chi m đ n 25% GDP của n c Nga

Mỹ, khí đ t có vai trò cực kì quan trọng khi chi m 23% t ng năng l ợng sử

dụng Từ etan đư ch bi n 40% etylen phục vụ cho s n xu t nhựa t ng hợp, oxit etylen,

ch t ho t động bề mặt, nhiều s n phẩm và bán s n phẩm hóa học khác Ngoài ra từ khí tự nhiên và khí đ ng hành, sau khi làm s ch và ch bi n khí ng i ta còn nh n đ ợc một

l ợng l n l u huỳnh, heli và một s s n phẩm vô cơ khác phục vụ cho nhiều ngành kinh

t qu c dân Mỹ và Canada là một trong hai n c đứng đ u về s n xu t heli, một trong

những s n phẩm quan trọng nh t trong công ngh nghiên cứu vũ trụ, nghiên cứu kỹ thu t thâm l nh, sắc ký

Trong những năm g n đây các n c Trung đông (Iran, Arapxeut, Beren ) dự định hoàn thành ch ơng trình về khai thác, ch bi n và v n chuyển khí đ ng hành v i t ng giá

trị kho ng 33 tỉ USD Ng i ta nghĩ rằng điều này cho phép xu t khẩu kho ng 46 tri u

t n LPG mỗi năm

Riêng Vi t Nam ngành d u khí n c ta tuy m i hình thành và phát triển nh ng

v i tiềm năng về khí khá phong phú, thì đây là một tiền đề quan trọng để ngành công nghi p này phát triển hơn Cho đ n nay Vi t Nam đang khai thác 6 m d u và 1 m d u khí, hình thành 4 cụm khai thác d u quan trọng:

Ph ạm Anh Tuấn 7

 Cụm m thứ hai: thuộc vùng biển Cửu Long, g m chứa 4 m d u : B ch H ,

R ng, R ng Đông, Rubi là cụm quan trọng nh t hi n nay, cung c p trên 96% s n l ợng

d u toàn qu c

 Cụm m thứ ba: vùng biển Nam Côn Sơn g m m d u Đ i Hùng đang khai thác

và các m khí đư phát hi n khu vực xung quanh là Lan Tây, Lan Đ , H i Th ch, Mộc Tinh và m d u khí R ng Đôi Tây ầ đang chuẩn bị đ a vào khai thác

 Cụm m thứ t : t i thềm lục địa Tây Nam bao g m m Bungakclwa - Cái N c đang khai thác d u, m Bunga Orkid, Bunga Parkma, Bunga Rây t i khu vực th a thu n

th ơng m i Vi t Nam ậ Malaysia là khu khai thác và cung c p khí l n thứ hai và s là cơ

s đ m b o sự phát triển khu công nghi p d u khí Cà Mau ậ C n Thơ

V i tiềm năng về khí khá phong phú nh v y, Viêt Nam có nhiều điều ki n phát triển công nghi p khai thác và ch bi n khí thúc đẩy m nh hơn nền kinh t và đ a đ t

Các ph ơng pháp trên có nhiều u nh ợc điểm:

- Đ i v i ph ơng pháp lắng d i của tác dụng của trọng l c thì thi t bị c ng kềnh, hi u qu th p, nh ng đơn gi n thông dụng

- Đ i v i ph ơng pháp lọc d i tác dụng của lực ly tâm thì thi t bị gọn hơn, song không thể lọc hoàn h o đ ợc đ i vơí h t nh , ph ơng pháp t n nhiều năng l ợng

- Ti n hành nhi t độ cao, trong môi tr ng ăn mòn hoá học

- Có thể tự động hoá và cơ khí hoá hoàn toàn

- Nh ng cũng có nh ợc điểm là tiền chi phí cao và tiêu hao đi n năng l n

Sự có mặt của n c trong khí có thể t o hydrat, c n tr quá trình v n hành của các thi t bị trong quá trình ch bi n khí ( nh bơm, qu t, máy nénầ) Để h n ch tác h i của

hi n t ợng này, khí c n đ ợc dehydrat bằng cách s y khí hoặc trộn thêm vào khí hoặc trộn thêm vào khí tác nhân ức ch quá trình t o hydrat

Mục đích của quá trình s y khí hay dùng ch t ức ch t o hydrat là tách b t l ợng hơi n c và t o ra cho khí có nhi t độ điểm s ơng theo n c th p hơn so v i nhi t độ cực tiểu mà t i đó khí đ ợc v n chuyển hay ch bi n

Có nhiều ph ơng pháp để s y khí:

- S y khí bằng ph ơng pháp h p thụ

- S y khí bằng ph ơng pháp h p phụ

- Sử dụng ch t ức ch quá trình t o hydrat

Để làm s ch khí kh i H2S, CO2 và các hợp ch t hữu cơ chứa l u huỳnh ta th ng

sử dụng các dung môi hữu cơ sau:

- Làm s ch bằng dung môi Alknol amin

- Làm s ch bằng dung môi v t lý và dung môi t ng hợp

Ph ạm Anh Tuấn 9

làm nguội sau đó khí đ ợc đ a đ n thi t bị ng ng tụ nhi t độ th p T i đó, khí đ ợc nén

và làm l nh t i nhi t độ âm c n thi t, sau đó hỗn hợp khí đ ợc đ a sang bộ ph n tách khí, lúc này một ph n hydrocacbon đư ng ng tụ đ ợc tách ra

Sau khi đ ợc nén và làm l nh thì hỗn hợp khí bị tách ra thành hai ph n:

Ph n ng ng tụ (gọi là condesat) của b c nén và làm l nh Khí đ ng hành đ ợc bơm

từ thùng chứa qua bộ ph n trao đ i nhi t sang cột tách etan T i đó phân đo n chứa metan

và etan đ ợc tách ra Sau đó benzin là ph n ng ng tụ đư tách metan và etan qua thi t bị

trao đ i nhi t vào bình chứa, từ đó nó đ ợc đ a đi ch bi n ti p

Ph ơng pháp ng ng tụ nhi t độ th p để tách bezin từ khí đ ng hành là ph ơng pháp r t t n kém, để thực hi n đ ợc c n có thi t bị làm l nh phức t p Tuy nhiên do sơ đ công ngh t ơng đ i đơn gi n, mà hi u qu tách benzin ra kh i hỗn hợp khí khá cao, tri t

để nên ph ơng pháp này đ ợc ứng dụng rộng rãi trong công nghi p ch bi n khí

đ ợc xác định bằng hi u s áp su t riêng ph n của c u tử bị tách ra trong pha khí và pha

l ng N u áp su t riêng ph n của c u tử trong pha khí l n hơn trong pha l ng thì x y ra quá trình h p thụ (h p thụ khí b i ch t l ng) Và ng ợc l i, n u áp su t riêng ph n của c u

tử bị tách ra trong pha khí nh hơn trong pha l ng thì x y ra quá trình nh h p thụ (thoát khí ra kh i ch t l ng) Đ i v i các tính toán thực t , động lực của quá trình h p thụ đ ợc

biểu thị chính xác hơn không chỉ qua áp su t riêng ph n mà còn qua n ng độ của các c u

tử t ơng ứng

T i các nhà máy ch bi n khí, quá trình h p thụ và nh h p thụ đ ợc thực hi n trong các tháp h p thụ và tháp nh h p thụ (tháp ch ng luy n) có c u t o kiểu tháp đĩa

hoặc tháp đ m, ch t h p thụ đ ợc dùng đây là các phân đo n benzin, kerosen hoặc hỗn

hợp của chúng

Ph ạm Anh Tuấn 10

4, Ch bi n khí b ằng phương pháp chưng c t

Sơ đ ch ng c t nhi t độ th p đ ợc thực hi n quá trình tách các c u từ định tr c

hi u qu hơn sơ đ h p thụ nhi t độ th p (HNI) và thi t bị ch t o cũng đơn gi n hơn Khác nhau về mặt nguyên lý giữa hai sơ đ CNT và NTT là chỗ nguyên li u đi vào thi t

bị sau khi làm l nh (không có sự tách sơ bộ mà đ ợc đ a thẳng vào tháp ch ng T i đó

x y ra sự phân tích riêng bi t khí nguyên li u thành khí khô(thoát ra từ đỉnh tháp) và phân

đo n hydrocacbon nặng

Phụ thuộc vào sơ đ nguyên lý của quá trình ch ng c t nhi t độ th p, thi t bị cơ

b n của sơ đ là tháp ch ng đ ợc chia thành ch ng b c hơi và tháp ng ng tụ ậ b c hơi

Hình 1a: Sơ đồ tháp chưng bốc hơi

1 Thi t bị trao đ i nhi t; 2 Tháp ch ng

b c hơi; 3 Chu trình làm l nh ngoài; 4

Thi t bị tách; I Khí nguyên li u; II Khí

đư tách benzin; III ng truyền nhi t;

Ph ạm Anh Tuấn 11

V i 3 sơ đ công ngh ch bi n khí nói trên thì ta có một vài nh n xét sau: Từ

những u nh ợc điểm và ph m vi công dụng của mỗi công ngh thì ph ơng pháp ch

bi n khí bằng NNT đem l i hi u qu cao nh t Ph ơng pháp này phù hợp v i điều ki n

ch bi n khí đ ng hành v i năng su t công ngh là 5 tri u m3/ngày, h s tách c u tử chính là =75% propan Mặt khác v i ph ơng pháp này mang l i hi u qu cao đặc bi t trong tình hình kinh t của đ t n c ta hi n nay thì đây là một công ngh ch bi n khí đơn

gi n, và kh thi nh t

III, Cơ s hóa lý của quá trình ngưng tụ nhi t độ th p

1, Khái ni m v ề quá trình ngưng tụ

Ng ng tụ là quá trình chuyển khí hoặc hơi sang tr ng thái l ng bằng cách làm l nh khí hoặc nén làm l nh khí đ ng th i

Có hai ph ơng pháp để ti n hành quá trình ng ng tụ :

+ Quá trình ng ng tụ gián ti p: (hay còn gọi là ng ng tụ bề mặt ) tức là quá trình

ti n hành trong thi t bị trao đ i nhi t có t ng ngăn cách giữa khí và tác nhân làm l nh đi

ng ợc chiều nhau Tác nhân làm l nh cho đi từ d i lên để tránh dòng đ i l u tự nhiên

c n tr quá trình chuyển động của l u thể Khí đi từ trên xu ng để ch t l ng ng ng tụ

ch y dọc xu ng tự do và d dàng

+ Quá trình ng ng tụ trực ti p (hay còn gọi là ng ng tụ hỗn hợp) Quá ttrình này

ti n hành bằng cách cho khí và tác nhân làm l nh ti p xúc trực ti p v i nhau Tác nhân làm l nh đ ợc phun trực ti p vào trong khí sau đó ng ng tụ l i thành l ng do v y thi t bị

ng ng tụ trực ti p th ng không đặt giá trị phân chia cao Nên ch t l ng ng ng tụ s trộn

l n v i tác nhân làm l nh

Quá trình ng ng tụ nhi t độ th p có thể đ ợc coi là quá trình làm l nh đẳng áp (n u ta b qua một vài t n th t áp su t khi khí chuyển động trong ng và thi t bị công ngh ) cho t i nhi t độ t ơng ứng và áp su t đó thì xu t hi n pha l ng

Khí đ ng hành và khí tự nhiên là một hỗn hợp bao g m nhiều c u từ do đó qúa trình chuyển pha và các vùng t i h n của chúng khác nhau nhiều so v i qúa trình t ơng ứng v i điểm đó là nhi t độ và áp su t t i h n Khi nhi t độ cao hơn so v i nhi t độ t i

h n thì ch t đó s t n t i tr ng thái một pha Khi đó dù có thay đ i của b t kì t hợp các

Ph ạm Anh Tuấn 12

thông s nào thì cũng không thể đ a ch t đó về tr ng thái hai pha đ ợc vì v y mu n hóa

l ng khí ta chỉ đ ợc phép ti n hành nhiêt độ t i h n

Ví dụ :

Nhi t độ t i h n của CH4 là Tc = 190,55K nh ng v i nhi t độ môi tr ng là Tmt

= 298K thì Tc < Tmt Do đó n u nén khí nhi t độ môi tr ng thì cho dù có tăng áp

su t t i 500 atm thì CH 4 cũng không hóa l ng, khi đó ta chỉ thu đ ợc khí CH4 nén

V y để hóa l ng CH4 ta ph i h nhi t độ của CH4 xu ng kho ng 111K (d i nhi t độ sôi của CH4 TsCH4 = 111,6 K v i áp su t khí quyển

Điều này có nghĩa là quá trình hóa l ng một ph n hay toàn bộ khí bằng ph ơng pháp nén chỉ thực hi n đ ợc khi h nhi t độ khí đó xu ng d i nhi t độ t i h n

3, Quá trình chuy ển pha của khí đ ng hành

3.1 Quá trình chuyển pha đối với khí một cấu tử[4]

Quá trình chuyền pha đ i v i h khí một c u tử ta có thể biểu di n trên trục tọa độ P-T trong đó trục tung là áp su t và trục hoành là nhi t độ

Hình 2: Gi n đồ pha hệ một cấu tử

Ph ạm Anh Tuấn 13

Đ ng HD, HC và FH là các đ ng cân bằng bao g m t p hợp các giá trị áp su t, nhi t độ, t i đó có cân bằng pha

Điểm H là điểm duy nh t t i nhi t độ và áp su t xác định đ ng th i t n t i ba pha

nằm cân bằng v i nhau T i đ ng cân bằng nhi t độ và áp su t không đ i h có thể chuyển pha bằng cách thêm vào hoặc b t năng l ợng của h

Dọc theo đ ng FH không t n t i pha l ng, và pha rắn thăng hoa thành hơi

Điểm C là điểm t i h n ứng v i nhi t độ t i h n T c và áp su t t i h n Pc thì t i đó các tính ch t của pha l ng và pha hơi tr thành đ ng nh t

Đ i v i đơn ch t điểm t i h n đ ợc định nghĩa: là điểm mà phía trên nó pha l ng không thể t n t i nh một pha độc l p Hay nói cách khác phía trên điểm t i h n khí không thể bị hóa l ng bằng cách nén áp su t cao

Đ ng HC th ng gọi là đ ng áp su t hơi hay đ ng cong điểm s ơng và đ ng cong điểm bọt của đơn ch t

* Xét quá trình pha đẳng áp của h một c u tử trên hình 3.1

Từ”m”>”n”h tr ng thái rắn Từ “o” đ n “b”: h tr ng thái l ng, t i “b” h

tr ng thái l ng bão hòa B t kỳ sự cung c p năng l ợng nào cũng làm cho l ng hóa thành hơi nhi t độ và áp su t không đ i T i “d”: h tr ng thái hơi bưo hòa, ti p tục tăng nhi t độ s nh n đ ợc hơi qúa nhi t

3.2 Giản đồ pha hệ nhiều cấu tử

Đ i v i h nhiều c u tử, vị trí của các đ ng cong trên gi n đ pha phụ thuộc vào thành ph n của hỗn hợp và các đ ng bao pha t o thành không ph i là một mặt phẳng,

mà có chiều dày nh hình cái l ỡi v i thành ph n là bi n s ph n ánh chiều dày của

đ ng bao pha Trên hình 3.2a thể hi n gi n đ pha h nhiều c u tử trong đó trục tung là

áp su t và trục hoành là nhi t độ

Ph ạm Anh Tuấn 14

Hình 3: Gi n đồ pha hệ nhiều cấu tử

* Điểm C là điểm t i h n, t i đó hai pha tr thành một pha

* Điểm M là điểm t ơng ứng v i áp su t l n nh t mà t i đó hỗn hợp nhiều c u tử

t n t i tr ng thái hai pha

* Điểm N: là điểm t ơng ứng v i áp su t l n nh t mà t i đ hỗn hợp nhiều c u tử

t n t i tr ng thái hai pha

Bên trái đ ng cong điểm bọt h t n t i tr ng thái l ng khi bắt đ u ch m t i

đ ng cong điểm bọt thì h khí bắt đ u xu t hi n những bọt khí Khi sang đ ng cong điểm s ơng thì toàn bộ hỗn hợp khí tr thành hơi từ đ ng cong điểm bọt và đ ng cong điểm s ơng là miền mà t n t i cân bằng giữa hai pha l ng và hơi

+ Đ ng ABDE: biểu di n quá trình ng ng tụ đẳng nhi t suy bi n điển hình trong các m khí condensate Điểm A biểu di n pha l ng chặt nằm bên ngoài đ ng bao pha khi gi m áp su t t i điểm B bắt đ u quá trình ng ng tụ Ti p tục gi m áp su t l ợng l ng hình thành nhiều hơn từ điểm “A” đ n “D” nằm trong miền suy bi n đ ợc t o b i các điểm thay đ i độ d c của các đ ng pha

+ Khi ti p tục gi m áp su t ra kh i miền suy bi n đi từ D t i E thì l ợng l ng gi m

d n cho t i khi đ t điểm s ơng (E) phía d i điểm E h không t n t i tr ng thái l ng

chỉ t n t i tr ng thái hơi

Ph ạm Anh Tuấn 15

Điểm t i h n C của hỗn hợp khí hydrocacbon luôn luôn phía bên trái của điểm

M và vị trí mà là r t quan trọng vì nó nh h ng đ n sự thay đ i h ng của các đ ng

l ng hơi bên trong đ ng bao pha Điểm t i h n C có thể nằm bên ph i điểm N thể hi n

nh hình d i đây

Hình 4a: nh hưởng của thành phần

đến đường bao pha của hệ metan -

đ ng áp su t hơi của metan - propan bắt đ u từ điểm t i h n ba đ ng bao pha còn l i

là của ba hỗn hợp có tỷ l thành ph n metan - propan khác nhau đ ợc gọi là quỹ tích t i

h n

Nh v y vị trí t i h n trên mỗi đ ng bao pha thay đ i theo thành ph n của hỗn

hợp các hydrocacbon

Ph ạm Anh Tuấn 16

Ngoài ra các t p ch t nh phi hydrocacbon nh : H2O, CO2, H2S, N2 cũng có những

nh h ng đáng kể đ n đ ng bao pha của hỗn hợp khí trong điều ki n nhi t độ cao và áp

su t th p

- H2S, CO2 làm gi m điểm áp su t cực đ i t n t i l ng hơi của hỗn hợp khí

- N2: Làm tăng điểm áp su t cực trị, t n t i l ng hơi hỗn hợp khí và gi m kh năng trộn l n

4, H ằng số cân bằng pha [1]

Cân bằng pha của hỗn hợp khí không ph i là tr ng thái tĩnh mà là cân bằng động,

v n luôn t n t i sự chuyển đ ng của các phân tử từ pha l ng sang pha hơi và ng ợc l i,

t c độ bay và t c độ ng ng tụ là bằng nhau

Đ i l ợng đặc tr ng cho sự phân b của các c u tử giữa các pha điều ki n cân

bằng là hằng s cân bằng pha K đ ợc xác định bằng ph ơng trình :

i

i i

y k x

 Trong đó : yi: là ph n mol của c u tử i trong pha hơi

xi: là ph n mol của c u tử i trong pha l ng

Để xác định hằng s cân bằng pha của h nhiều c u tử có nhiều c u tử có các

Xét ph ơng trình cân bằng v t li u toàn h :

F= V + L

V i một c u tử b t kì: F.Ci = V.yi + L.xi

x : là ph n mol c u tử i trong pha l ng

Ki: hằng s cân bằng pha l ng ậ hơi

i

Cx

L V K

i i

i

Cy

i

Cx

i

Cy

Trong hỗn hợp khí đ ng hành có thành ph n các hydrocacbon khác nhau nh :CH4, C2H6ầDo v y t ơng ứng s có các nhi t độ ng ng tụ khác nhau, do đó quá trình làm l nh

s x y ra nh sau:

Ph ạm Anh Tuấn 18

+ Khi gi m nhi t độ của hỗn hợp khí thì đ n một lúc nào đó của hỗn hợp khí s

bắt đ u ng ng tụ(t ơng ứng v i áp su t riêng ph n trong hỗn hợp khí) l n nh t N u nh các c u tử đ ợc phân b đều trong hỗn hợp ban đ u Thì các c u tử có nhi t độ ng ng tụ

l n nh t s ng ng tụ đ u tiên Khí hydrocacbon có đăc điểm quan trọng là: chúng hòa tan trong các hydrocacbon l ng, do đó khi chuyển sang pha l ng không chỉ có các c u tử khác có nhi t độ t i h n th p hơn c nhi t độ của hỗn hợp t i th i điểm đó

Ví dụ:

Hỗn hợp có 10% mol CH 4 có 90%mol C6H14 trong ng d n khí có thể ng ng tụ hoàn toàn khi làm l nh đ n 10oC v i P = 2MPa Mặc dù nhi t độ t i h n của CH4 là Tc = -82,6oC Nh ng khi có mặt propan nó v n chuyển sang pha khí

Trong quá trình ng ng tụ nhi t độ th p, quá trình làm l nh khí chỉ di n ra t i khi

đ t đ ợc mức độ ng ng tụ định mức của pha hơi (trong hỗn hợp khí ban đ u) đ ợc xác định bằng mức độ tách c n thi t các c u tử chủ y u ra kh i hỗn hợp Điều này đ t đ ợc

nh nhi t độ làm l nh cu i cùng hoàn toàn xác định ( tức phụ thuộc vào thành ph n của

hỗn hợp, áp su t của h ) Nhi t độ này t o đ ợc bằng cách cung c p cho quá trình một

l ợng nhi t l nh c n thi t

-Cùng một mức độ ng ng tụ (của hỗn hợp khí ban đ u) có thể đ t đ ợc bằng

những t hợp các giá trị nhi t độ và áp su t khác nhau Khi tăng áp su t trong h tức là tăng áp su t riêng ph n của từng c u tử, mức độ ng ng tụ nhi t độ không đ i s tăng lên

và quá trình này cũng s x y ra t ơng tự làm l nh đẳng áp

- Mức độ ng ng tụ các hydrocacbon khi ti n hành trong quá trình đẳng áp và trong quá trình đẳng nhi t Tuy nhiên, qúa trình ng ng tụ của hai tr ng hợp này l i khác nhau

Cụ thể tr ng hợp đẳng nhi t thì mức độ ng ng tụ tăng nh ng sự phân tách các c u tử hydrocacbon kém Ng ợc l i đ i v i quá trình đẳng áp

V y: Vi c lựa chọn các thông s t i u cho quá trình ng ng tụ nhi t độ th p phụ thuộc vào thành ph n ban đ u của hỗn hợp khí nguyên li u, mức độ phân tích c u tử chính định tr c là r t quan trọng

Ph ạm Anh Tuấn 19

IV, T ng quan v ề các công ngh ch bi n khí bằng phương pháp ngưng tụ nhi t độ

th p

1 Phân lo i các sơ đ công ngh

Để ch bi n khí theo ph ơng pháp ng ng tụ nhi t độ th p (NNT) có r t nhiều sơ

đ công ngh khác nhau Và ta có thể phân chia chúng dựa vào một s đặc điểm sau đây:

- Theo s lo i phân ly cơ b n

- Theo lo i ngu n nhi t l nh

- Theo lo i s n phẩm cu i

Theo đó ta có sơ đ phân lo i công ngh ch bi n khí sau đây:

Theo mỗi kiểu phân chia thì ta có các sơ đ tiêu biểu sau:

+ Sơ đ NNT một b c

+ Sơ đ NNT có tách sơ bộ etan

+ Sơ đ NNT có chu trình làm l nh dùng tác nhân l nh hỗn hợp

+ Sơ đ NNT một b c có chu trình làm l nh ngoài bằng propan và etan để

nh n C≥2

Ph ạm Anh Tuấn 20

+ Sơ đ NNT hai b c có chu trình làm l nh ngoài bằng propan và etan để

nh n C≥2+ Sơ đ NNT 3 giai đo n

+ Sơ đ nhà máy ch bi n khí sử dụng tubin giãn n khí

+ Sơ đ NNT hai b c có tuabin giãn n khí, ti t l u dòng ch t l ng để nh n

2 Phân tích l ựa chọn công ngh [1]

Trong công ngh ch bi n khí bằng ph ơng pháp ng ng tụ nhi t độ th p.Dựa v o

s b c tách, kiểu ngu n l nh và cách đ a s n phẩm ra thì ta có các sơ đ công ngh ch

bi n khí khác nhau Theo đó mỗi một lo i công ngh ta đều có những u, nh ợc điểm và

Ph ạm Anh Tuấn 21

* Nguyên tắc ho t động:

Theo sơ đ thì khí đ ợc ch bi n nh sau: tr c khi ch bi n, khí nguyên li u đ ợc

đ a vào bộ ph n tách khí sơ bộ, t i đây nó đ ợc làm l nh kh i các t p ch t cơ học và các

ch t l ng d ng h t( d u, n c, ch t l ng ng ng tụầ)

Sau khi đ ợc làm s ch sơ bộ, khí đ ợc đ a vào máy nén (1), t i đây khí đ ợc nén

t i áp su t 3,0 - 4,0 Mpa và cao hơn khí nén đi qua thi t bị làm mát bằng không khí (2),

đ ợc làm mát t i nhi t độ -200C ầ -350C l n l ợt trong các thi t bị trao đ i nhi t (3), (4)

và (5) do dòng l nh của khí khô và ch t l ng ng ng tụ từ tháp phân tách (7) và (8), đó hydroacbon đư ng ng tụ đ ợc tách ra Từ đỉnh tháp (7) khí khô thoát ra, sau khi truyền

l nh bộ ph n trao đ i nhi t (4) đ ợc đ a vào đ ng ng d n khí chính

Ph n ng ng tụ từ bộ ph n phân tách (7) đ ợc bơm đ n bộ ph n trao đ i nhi t (5),

t i đây nó đ ợc nâng nhi t độ lên do dòng khí nhiên li u vào Sau đó ch t l ng ng ng tụ

Ph ạm Anh Tuấn 22

l i đ ợc đ a vào tháp tách (8), đó bơm luôn giữ áp su t cao cho pha hơi l y ra từ đỉnh tháp tách này để trộn v i dòng khí nguyên li u tr c khi vào bộ ph n bay hơi propan (6)

để ng ng tụ Còn ph n l ng tách ra đáy tháp đi qua thi t bị trao đ i nhi t (4) và đ ợc

đ a vào ph n giữa của tháp (9)

Do quá trình đ t nóng sơ bộ condensat trong tháp tách (9), một ph n các c u tử

d bay hơi ( chủ y u là C1,C2 và một ít C3) đ ợc bay hơi lên đỉnh tháp (9) g m có hỗn hợp metan, etan, propan đ ợc trộn l n v i khí khô đ a vào đ ng ng d n khí chính S n

phẩm đáy tháp chính là phân đo n chứa hỗn hợp propan và hydrocacbon nặng

Nh v y nguyên li u đ a vào tháp tách etan (9) đư đ ợc tăng tỷ trọng và v i lợng

ít hơn so v i sơ đ NNT một b c Điều đó cho phép tăng nhi t độ đỉnh tháp (9) và gi m tác nhân làm l nh c n thi t cho quá trình, cũng nh làm gi m nhi t c n để bay hơi các c u

tử d bay hơi các tháp tách (7),(8) Mặt khác ph i c n tăng tác nhân để làm l nh khí nguyên li u tr c khi vào tháp (7) do c n ph i làm l nh c khí làm l nh l y ra từ đỉnh tháp tách etan (9), k t qu là về mặt năng l ợng t ng cộng v n có lợi

L ợng tác nhân l nh c n thi t để ng ng tụ tr c khi vào tháo tách (7) và ng ng tụ trên tháp tách etan (9) cũng nh l ợng nhi t c n cung c p cho đáy tháp etan (9), khi ch

bi n khí đ ng hành có thành ph n xác định phụ thuộc vào nhi t độ c n thi t của condensat trong bộ ph n trao đ i nhi t (5) Vì v y khi tính toán sơ đ NNT có tách sơ bộ etan c n ph i tìm t i u của condensat trong tháp tách (8), phụ thuộc thành ph n nguyên

li u vào và các thông s của quá trình

* u điểm:

- L y đ ợc nhi t từ nguyên li u đ a vào

- Tăng hi u qu của chu trình l nh và pha l ng so v i chu trình không tách sơ bộ etan do có tỷ trọng l n hơn (vì ít c u tử nhẹ)

- Tháp tách etan có thể làm vi c nhi t độ cao hơn do v y ti t ki m đ ợc nhiên

li u làm l nh

* Nh ợc điểm:

- V n đ u t l n và thi t k phức t p hơn chu trình không tách sơ bộ etan do có thêm tháp tách

độ th p b c thứ ba, đó hơi ng ng tụ đ n nhi t độ đư chọn và tr thành hai pha l ng và hơi Pha l ng tách ra sau mỗi b c ng ng tụ đ ợc đ a vào tháp tách etan

Sơ đ NNT một b c và nhiều b c có những u điểm và nh ợc điểm riêng V i quá trình ng ng tụ một b c, l ợng l ng t o ra nhiều hơn so v i nhiều b c Tuy nhiên trong

ph n l ng của ng ng tụ một b c chứa nhiều c u tử nhẹ, tức là độ chọn lọc của quá trình

Ph ạm Anh Tuấn 24

ng ng tụ một b c th p hơn Điều đó d n đ n tăng l ợng nhi t m t mát do các s n phẩm

nhẹ metan và etan Tuy nhiên v i sơ đ nhiều b c v n, kinh phí b ra nhiều

* u điểm công ngh : do công ngh sử dụng chu trình làm l nh ngoài nên thi t bị đơn gi n, v n đ u t ít, d dàng triển khai

* Nh ợc điểm công ngh : công ngh này có độ chọn lọc không cao do năng

l ợng tiêu t n nhiều để ng ng tụ các c u tử nhẹ d sôi, để khắc phục nh ợc điểm này ta

có các công ngh NNT có chu trình làm l nh ngoài nhiều b c cho độ phân chia cao

* Ph m vi ứng dụng của sơ đ công ngh : công ngh này ứng dụng đ i v i hỗn

hợp khí có độ phân tách các c u tử chính không l n,năng su t công ngh cao

2.3, Sơ đồ NNT hai bậc để tách C ≥3 có tuabin giãn nở khí, tiết lưu dòng chất

lỏng

Ph ạm Anh Tuấn 25

* Nguyên tắc ho t động:

Khí có áp su t 5,2 MPa vào tháp tách 1, t i đây những giọt ch t l ng đ ợc tách ra

kh i khí Sau khi ra kh i tháp tách, khí vừa đ ợc làm l nh s đ ợc d n đ n tháp tách 5

Tr c khi vào các thi t bị trao đ i nhi t, ng i ta bơm metanol vào khí Trong tháp tách 3 pha 5, metanol bão hòa các hydrocacbon ng ng tụ và khí đ ợc tách riêng Dung dịch metanol trong n c đ ợc tái sinh trong tháp 7 các hydrocacbon ng ng tụ đ ợc đ a từ tháp tách 5 vào bộ ph n th i gió 8 đây áp su t gi m xu ng 1,8 MPa, nhi t độ condensat

gi m xu ng -84oC Khí t o thành nh sự ti t l u này từ tháp 8 đ ợc d n vào đ ng ng

d n khí khô, còn condensate qua thi t bị trao đ i nhi t vào ph n giữa của tháp tách etan

10, gi m đ n 1,8 MPa, sau đó đ ợc d n vào tháp tách 9 trên đỉnh của tháp 10 Khí từ tháp 9 sau khi truyền nhi t 3 va 4 đ ợc máy nén đ n áp su t 2,1 MPa, máy nén n i v i

một trục của tuabin 6, phân đo n chứa các hydrocacbon nặng đ ợc tháo ra từ đáy tháp tách etan 10

* u điểm công ngh :

- công ngh này chỉ có một ngu n l nh duy nh t là tuabin giãn n khí Điều này

đ m b o tách tri t để hơn các c u tử theo yêu c u định tr c nh : etan, propan hay hydrocacbon nặng

- Ngoài ra vi c sử dụng tuabin giãn n : có kh năng tự động hóa hoàn toàn có

thể xây dung sơ đ ch bi n khí thích hợp cho những m khai thác khác nhau Do v y

gi m nhẹ đ ợc kh i l ợng công vi c xây lắp trực ti p h th ng thi t bị

V i công ngh này thì t ng hợp đ ợc các u điểm của hai quá trình công ngh đó là: NNT có chu trình làm l nh ngo i nhiều làm l nh t hợp cụ thể : công ngh có chu trình làm l nh trong vừa cho độ phân tách cao và cho phép làm vi c nhi t độ làm l nh sâu

* Nh ợc điểm: Thi t bị công ngh v i chu trình làm l nh trong th ng c ng kềnh,

phức t p, v n đ u t l n

* Ph m vi ứng dụng: áp dụng đ i v i hỗn hợp khí có thành ph n C≥3 không quá 70

ậ 75 g/m3 V i h s tách c u tử chính là 85% propan và h u h t các c u tử cacbon nặng Khí khô sau khi ch bi n đ ợc đ a thẳng đi tiêu thụ v i áp su t 2,1MPa