Đồ án môn học công nghệ chế biến khí: phương pháp chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp

17 IV, Tổng quan về các công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp .... Tại đó, khí được nén và làm lạnh tới nhiệt độ âm cần thiết, sau đó hỗn hợp khí được đưa sang b

Phạm Anh Tuấn 1

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 4

I, Giới thiệu chung về khí tự nhiên và khí đồng hành 4

1, Thành phần và tính chất chung của khí tự nhiên và khí đồng hành[1] 4

2, Lịch sử phát triên của khí tự nhiên 5

II, Các phương pháp chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành 7

1, Chuẩn bị để chế biến 7

2, Phương pháp chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ 8

3, Chế biến khí bằng phương pháp hấp thụ 9

4, Chế biến khí bằng phương pháp chưng cất 10

III, Cơ sở hóa lý của quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp 11

1, Khái niệm về quá trình ngưng tụ 11

2, Đặc điểm của quá trình ngưng tụ 11

3, Quá trình chuyển pha của khí đồng hành 12

4, Hằng số cân bằng pha[1] 16

5, Phương pháp tính thành phần lỏng hơi[1] 16

6, Quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp trong chế biến khí đồng hành 17

IV, Tổng quan về các công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp 19

1 Phân loại các sơ đồ công nghệ 19

2 Phân tích lựa chọn công nghệ[1] 20

3 Các thiết bị chính có trong qúa trình chế biến bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp 27

Phạm Anh Tuấn 2

TÍNH TOÁN 33

I, Mô phỏng công nghệ bằng phần mềm HYSYS 33

1 Xây dựng cơ sở mô phỏng 33

2 Xây dựng lưu trình chính 33

3 Thiết lập chu trình làm lạnh bằng propan 37

4 Thiết lập Spreadsheet xác định lượng propan 39

II Kết quả 41

1, Cân bằng chung của quá trình 41

2 Cân bằng vật chất tại các tháp tách 43

3 Cân bằng nhiệt lượng tại các tháp tách 46

4 Kích thước thiết bị chính 48

KẾT LUẬN 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

Phạm Anh Tuấn 3

LỜI MỞ ĐẦU

Ngành dầu khí Việt Nam là một ngành mới phát triển được hơn 20 năm nhưng đã chiếm một phần quan trọng trong sự phát triển của đất nước Đặc biệt là ngành công nghiệp chế biến dầu khí Đây là một trong những tiền đề cơ bản để phát triển các ngành công nghiệp quan trọng của đất nước

Cùng với quá trình khai thác và chế biến dầu thô, thì ngành công nghiệp chế biến khí hiện đang phát triển mạnh mẽ Sản phẩm của các nhà máy chế biến khí của Việt Nam hiện nay là khí khô thương phẩm, LPG và condensate Trong đó có hai loại sản phẩm LPG và Condensate đã được tận dụng triệt để mang lại hiệu quả kinh tế mang lại hiệu quả kinh tế cho quốc gia Sản phẩm khí khô thương phẩm mà thành phần chủ yếu là khí metan

và etan, phần lớn được dùng làm nhiên liệu cho các nhà máy điện, chiếm 85 – 90% sản lượng khí, có giá trị kinh tế thấp Trong khi đó, lượng khí dùng làm nguyên liệu cho các nhà máy đạm Cà Mau và đạm Phú Mỹ, chỉ chiếm 6%[9]

Cùng với sự phát triển khoa học kĩ thuật, từ khí tự nhiên và khí đồng hành người ta

đã sản xuất ra nhiều sản phẩm khác nhau như: rượu, axeton, NH3, phân bón, chất tẩy rửa tổng hợp… được ứng dụng trong nhiều ngành như: mỹ phẩm, dệt may, đồ gia dụng… phục vụ cho công nghiệp và đời sống nhân dân

Chính vì những lợi ích to lớn mà nghành dầu khí nói chung và ngành chế biến khí nói riêng đem lại thì việc đầu tư và phát triển công nghiệp ngành công nghiệp mũi nhọn này là một đi đúng hướng của đảng và nhà nước ta nhằm thúc đẩy kinh tế và cải thiện đời sống nhân dân

Trong phạm vi đồ án này ta chỉ nghiên cứu phương pháp chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp vì phương pháp này vừa đơn giản mà cho hiệu quả cao, và có tính khả thi nhất

Phạm Anh Tuấn 4

TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

I, Giới thiệu chung về khí tự nhiên và khí đồng hành

1, Thành phần và tính chất chung của khí tự nhiên và khí đồng hành [1]

Những cấu tử cơ bản của khí tự nhiên và khí đồng hành là: metan, etan, propan,

butan (normal và izo) Khí tự nhiên được khai thác từ các mỏ khí, còn khí đồng hành

được khai thác từ các mỏ dầu đồng thời với quá trình khai thác dầu mỏ Trong khí tự nhiên thành phần chủ yếu là metan (chiếm đến 98% thể tích) Các mỏ khí tự nhiên là các túi khí nằm sâu dưới mặt đất

Khí đồng hành nhận được từ các mỏ dầu cùng với quá trình khai thác dầu mỏ Trong thành phần của khí đồng hành ngoài cấu tử chính là metan còn có etan, propan, butan và các hydrocacbon nặng với hàm lượng đáng kể Thành phần những cấu tử cơ bản trong khí thay đổi trong phạm vi khá rộng tùy theo mỏ dầu khai thác Ngoài ra trong thành phần khí tự nhiên và khí đồng hành còn có H2O, H2S, cùng các hợp chất chứa lưu huỳnh, S, N2 và heli

Người ta còn phân loại khí theo hàm lượng hydrocacbon từ propan trở lên Khí giàu propan, butan và các hydrocacbon nặng (trên 150g/m3) được gọi là khí béo (khí dầu)

Từ khí này người ta chế xăng khí, khí hóa lỏng LPG và các hydrocacbon cho công nghệ tổng hợp hữu cơ Còn khí chứa ít hydrocacbon nặng (từ propan trở lên, dưới mức 50g/m3) gọi là khí khô (khí gầy), được sử dụng làm nhiên liệu cho công nghiệp và đời sống, làm nguyên liệu cho công nghệ tổng hợp hữu cơ, nguyên liệu cho sản xuất phân đạm, sản xuất etylen, axetylen, etanol…

Trữ lượng khí nước ta có thể phát hiện ước tính vào khoảng 1.300 tỷ m3 khối khí Trữ lượng này phân bố trên toàn lãnh thổ nhưng chủ yếu là ở các bể Nam Côn Sơn, Sông Hồng, Ma Lay – Thổ Chu

Bảng 1.1: Thành phần khí ở bể Cửu Long (% theo thể tích)

Mỏ

Thành phần

Bạch Hổ (lô 09)

Rồng (lô 09)

Rạng Đông (lô 09) Ruby (lô 09) Khí tự do Đồng hành

2, Lịch sử phát triên của khí tự nhiên

Khí tự nhiên đã được phát hiện từ thời cổ đại ở Trung Đông Hàng ngàn năm trước,

nó được chú ý đến khi xuất hiện ngọn lửa cháy mãi không tắt do sét đánh tại những nơi khí rò rỉ Tại Persia, Hy Lạp và Ấn Độ, họ đã xây dựng những đền thời xung quanh những nơi đó để phục vụ tôn giáo Tuy nhiên, giá trị về năng lượng không được chú ý cho đến tận những năm 900 TCN, người Trung Quốc đã khoan giếng khí tự nhiên đầu tiên vào năm 211 TCN Tại Châu Âu, khí tự nhiên không được biết đến cho đến khi được phát hiện tại Anh vào năm 1659, mặc dù đến tận 1790 nó mới được thương mại hóa Năm

1821 tại Fredonia, Mỹ người dân đã phát hiện thấy những bọt khí nổi lên tại một con lạch Wiliam Hart, được coi cha đẻ của ngành khí thiên nhiên, đã đào giếng khí đầu tiên tại Bắc

Mỹ

Trước đây, khí thiên nhiên được phát hiện như là hệ quả của quá trình thăm dò dầu thô Khí tự nhiên được coi là sản phẩm không mong muốn, trong quá trình khoan dầu gặp phải mỏ khí, công nhân phải dừng khoan và để khí tự do thoát ra ngoài Cho đến tận

Phạm Anh Tuấn 6

những năm 70 của thế kỉ trước, cuộc khủng hoảng dầu mỏ xảy ra khiến khí tự nhiên trở thành một trong những nguồn năng lượng quan trọng bậc nhất trên thế giới Trong suốt thế kỉ19, khí tự nhiên hầu hết chỉ được dùng để chiếu sáng tại chỗ do khó khăn trong việc vận chuyển đường dài Đến năm 1890 với sự phát minh chống rò rỉ khớp ống nối đã dẫn đến

sự thay đổi quan trọng Nhưng phải đến tận những năm 1920, cùng với sự phát triển của công nghệ đường ống, vận chuyển khí tự nhiên đường dài mới được đưa vào thực tế Tuy nhiên, chỉ sau Chiến tranh Thế giới thứ II thì khí thiên nhiên mới phát triển mạnh mẽ do

sự tiến bộ trong hệ bồn chứa và vận chuyển khí

Nước Nga là nước có trữ lưỡng khí lớn nhất thế giới, chiếm khoảng 23,9% Cho đến năm 2010, tổng sản lượng khí đạt khoảng 588,9 tỉ m3 khí Trong đó khoảng 1/3 dùng

để xuất khẩu sang châu Âu và các nước SNG Nguồn lợi thu từ việc xuất khẩu dầu và khí

vô cùng to lớn khi chiếm đến 25% GDP của nước Nga

Ở Mỹ, khí đốt có vai trò cực kì quan trọng khi chiếm 23% tổng năng lượng sử dụng Từ etan đã chế biến 40% etylen phục vụ cho sản xuất nhựa tổng hợp, oxit etylen, chất hoạt động bề mặt, nhiều sản phẩm và bán sản phẩm hóa học khác Ngoài ra từ khí tự nhiên và khí đồng hành, sau khi làm sạch và chế biến khí người ta còn nhận được một lượng lớn lưu huỳnh, heli và một số sản phẩm vô cơ khác phục vụ cho nhiều ngành kinh

tế quốc dân Mỹ và Canada là một trong hai nước đứng đầu về sản xuất heli, một trong những sản phẩm quan trọng nhất trong công nghệ nghiên cứu vũ trụ, nghiên cứu kỹ thuật thâm lạnh, sắc ký

Trong những năm gần đây các nước Trung đông (Iran, Arapxeut, Beren ) dự định hoàn thành chương trình về khai thác, chế biến và vận chuyển khí đồng hành với tổng giá trị khoảng 33 tỉ USD Người ta nghĩ rằng điều này cho phép xuất khẩu khoảng 46 triệu tấn LPG mỗi năm

Riêng ở Việt Nam ngành dầu khí nước ta tuy mới hình thành và phát triển nhưng với tiềm năng về khí khá phong phú, thì đây là một tiền đề quan trọng để ngành công nghiệp này phát triển hơn Cho đến nay Việt Nam đang khai thác 6 mỏ dầu và 1 mỏ dầu khí, hình thành 4 cụm khai thác dầu quan trọng:

 Cụm mỏ thứ nhất : nằm ở vùng đồng bằng Bắc Bộ gồm nhiều mỏ khí nhỏ, trong

đó có Tiền Hải “C”, trữ lượng khoảng 250 m3/khí, đã bắt đầu khai thác từ tháng 12 năm 1981với trên 450 triệu m3/khí phục vụ cho công nghiệp địa phương và là nguồn nguyên liệu cho công nghiệp khí ở các tỉnh phía Bắc

Phạm Anh Tuấn 7

 Cụm mỏ thứ hai: thuộc vùng biển Cửu Long, gồm chứa 4 mỏ dầu : Bạch Hổ, Rồng, Rạng Đông, Rubi là cụm quan trọng nhất hiện nay, cung cấp trên 96% sản lượng dầu toàn quốc

 Cụm mỏ thứ ba: ở vùng biển Nam Côn Sơn gồm mỏ dầu Đại Hùng đang khai thác

và các mỏ khí đã phát hiện ở khu vực xung quanh là Lan Tây, Lan Đỏ, Hải Thạch, Mộc

Tinh và mỏ dầu khí Rồng Đôi Tây … đang chuẩn bị đưa vào khai thác

 Cụm mỏ thứ tư : tại thềm lục địa Tây Nam bao gồm mỏ Bungakclwa - Cái Nước đang khai thác dầu, mỏ Bunga Orkid, Bunga Parkma, Bunga Rây tại khu vực thỏa thuận thương mại Việt Nam – Malaysia là khu khai thác và cung cấp khí lớn thứ hai và sẽ là cơ

sở đảm bảo sự phát triển khu công nghiệp dầu khí ở Cà Mau – Cần Thơ

Với tiềm năng về khí khá phong phú như vậy, Viêt Nam có nhiều điều kiện phát triển công nghiệp khai thác và chế biến khí thúc đẩy mạnh hơn nền kinh tế và đưa đất nước ta lên một tầm cao mới

II, Các phương pháp chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành

1, Chuẩn bị để chế biến

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 Tước khi đưa vào chế biến, khí cần phải qua công đoạn chuẩn bị, tại đó tiến hành loại bỏ các tạp chất kể trên bằng quá trình tách bụi, tách hơi nước và khí axít

Có rất nhiều các phương pháp loại bỏ cơ học như:

- Làm sạch khí bằng phương pháp lắng

- Làm sạch khí bằng phương pháp ướt

- Làm sạch khí bằng phương pháp lọc

- Làm sạch khí bằng phương pháp điện trường

Các phương pháp trên có nhiều ưu nhược điểm:

- Đối với phương pháp lắng dưới của tác dụng của trọng lưc thì thiết bị cồng kềnh, hiệu quả thấp, nhưng đơn giản thông dụng

- Đối với phương pháp lọc dưới tác dụng của lực ly tâm thì thiết bị gọn hơn, song không thể lọc hoàn hảo được đối vơí hạt nhỏ, phương pháp tốn nhiều năng lượng

- Năng lượng tiêu hao ít

- Trở lực không quá 3-5 mm cột nước

- Tiến hành ở nhiệt độ cao, trong môi trường ăn mòn hoá học

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

- Nhưng cũng có nhược điểm là tiền chi phí cao và tiêu hao điện năng lớn

Sự có mặt của nước trong khí có thể tạo hydrat, cản trở quá trình vận hành của các thiết bị trong quá trình chế biến khí ( như bơm, quạt, máy nén…) Để hạn chế tác hại của hiện tượng này, khí cần được dehydrat bằng cách sấy khí hoặc trộn thêm vào khí hoặc trộn thêm vào khí tác nhân ức chế quá trình tạo hydrat

Mục đích của quá trình sấy khí hay dùng chất ức chế tạo hydrat là tách bớt lượng hơi nước và tạo ra cho khí có nhiệt độ điểm sương theo nước thấp hơn so với nhiệt độ cực tiểu mà tại đó khí được vận chuyển hay chế biến

Có nhiều phương pháp để sấy khí:

- Sấy khí bằng phương pháp hấp thụ

- Sấy khí bằng phương pháp hấp phụ

- Sử dụng chất ức chế quá trình tạo hydrat

Để làm sạch khí khỏi H2S, CO2 và các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh ta thường

sử dụng các dung môi hữu cơ sau:

- Làm sạch bằng dung môi Alknol amin

- Làm sạch bằng dung môi vật lý và dung môi tổng hợp

2, Phương pháp chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ

Tiến hành chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ ở nhiệt độ thấp từ -25oC đến

-35oC áp suất cao 3,0 – 4,0 Mpa Đây được coi là phương pháp có hiệu quả và kinh tế hơn

cả để chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành

Khí đồng hành từ xí nghiệp khai thác dầu được nén bằng máy nén khí sau đó được làm lạnh và đưa vào thiết bị sấy khí để tách ẩm rồi được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt và

Phạm Anh Tuấn 9

làm nguội sau đó khí được đưa đến thiết bị ngưng tụ nhiệt độ thấp Tại đó, khí được nén

và làm lạnh tới nhiệt độ âm cần thiết, sau đó hỗn hợp khí được đưa sang bộ phận tách khí,

lúc này một phần hydrocacbon đã ngưng tụ được tách ra

Sau khi được nén và làm lạnh thì hỗn hợp khí bị tách ra thành hai phần:

Phần ngưng tụ (gọi là condesat) của bậc nén và làm lạnh Khí đồng hành được bơm

từ thùng chứa qua bộ phận trao đổi nhiệt sang cột tách etan Tại đó phân đoạn chứa metan

và etan được tách ra Sau đó benzin là phần ngưng tụ đã tách metan và etan qua thiết bị trao đổi nhiệt vào bình chứa, từ đó nó được đưa đi chế biến tiếp

Phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp để tách bezin từ khí đồng hành là phương pháp rất tốn kém, để thực hiện được cần có thiết bị làm lạnh phức tạp Tuy nhiên do sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản, mà hiệu quả tách benzin ra khỏi hỗn hợp khí khá cao, triệt

để nên phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế biến khí

3, Chế biến khí bằng phương pháp hấp thụ

Ngoài chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ thì người ta còn áp dụng phương pháp hấp thụ để chế biến khí Phương pháp này dựa trên cơ sở của 2 quá trình chuyển khối cơ bản: hấp thụ và nhả hấp thụ

Bản chất vật lý của quá trình là sự cân bằng giữa dòng khí và dòng lỏng do sự khuếch tán chất từ pha này sang pha khác Khi đạt cân bằng bền động lực, sự khuếch tán được xác định bằng hiệu số áp suất riêng phần của cấu tử bị tách ra trong pha khí và pha lỏng Nếu áp suất riêng phần của cấu tử trong pha khí lớn hơn trong pha lỏng thì xảy ra quá trình hấp thụ (hấp thụ khí bởi chất lỏng) Và ngược lại, nếu áp suất riêng phần của cấu

tử bị tách ra trong pha khí nhỏ hơn trong pha lỏng thì xảy ra quá trình nhả hấp thụ (thoát khí ra khỏi chất lỏng) Đối với các tính toán thực tế, động lực của quá trình hấp thụ được biểu thị chính xác hơn không chỉ qua áp suất riêng phần mà còn qua nồng độ của các cấu

tử tương ứng

Tại các nhà máy chế biến khí, quá trình hấp thụ và nhả hấp thụ được thực hiện trong các tháp hấp thụ và tháp nhả hấp thụ (tháp chưng luyện) có cấu tạo kiểu tháp đĩa hoặc tháp đệm, chất hấp thụ được dùng ở đây là các phân đoạn benzin, kerosen hoặc hỗn hợp của chúng

Phạm Anh Tuấn 10

4, Chế biến khí bằng phương pháp chưng cất

Sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp được thực hiện quá trình tách các cấu từ định trước hiệu quả hơn sơ đồ hấp thụ nhiệt độ thấp (HNI) và thiết bị chế tạo cũng đơn giản hơn Khác nhau về mặt nguyên lý giữa hai sơ đồ CNT và NTT là ở chỗ nguyên liệu đi vào thiết

bị sau khi làm lạnh (không có sự tách sơ bộ mà được đưa thẳng vào tháp chưng Tại đó xảy ra sự phân tích riêng biệt khí nguyên liệu thành khí khô(thoát ra từ đỉnh tháp) và phân đoạn hydrocacbon nặng

Phụ thuộc vào sơ đồ nguyên lý của quá trình chưng cất nhiệt độ thấp, thiết bị cơ bản của sơ đồ là tháp chưng được chia thành chưng bốc hơi và tháp ngưng tụ – bốc hơi

Hình 1a: Sơ đồ tháp chưng bốc hơi

1 Thiết bị trao đổi nhiệt; 2 Tháp chưng

bốc hơi; 3 Chu trình làm lạnh ngoài; 4

Thiết bị tách; I Khí nguyên liệu; II Khí

đã tách benzin; III Ống truyền nhiệt;

IV Hydrocacbon nặng; V Hồi lưu

Hình 1b: Sơ đồ tháp ngưng tụ - bốc hơi

1 Chu trình làm lạnh ngoài; 2 Tháp tách;

3 Tháp ngưng tụ bốc hơi; I Khí nguyên liệu; ; II Khí đã tách benzin; III Ống truyền nhiệt; IV Hydrocacbon nặng; V Hồi lưu; VI Sản phẩm đỉnh tháp

Phạm Anh Tuấn 11

Với 3 sơ đồ công nghệ chế biến khí nói trên thì ta có một vài nhận xét sau: Từ những ưu nhược điểm và phạm vi công dụng của mỗi công nghệ thì phương pháp chế biến khí bằng NNT đem lại hiệu quả cao nhất Phương pháp này phù hợp với điều kiện chế biến khí đồng hành với năng suất công nghệ là 5 triệu m3/ngày, hệ số tách cấu tử chính là =75% propan Mặt khác với phương pháp này mang lại hiệu quả cao đặc biệt trong tình hình kinh tế của đất nước ta hiện nay thì đây là một công nghệ chế biến khí đơn giản, và khả thi nhất

III, Cơ sở hóa lý của quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp

1, Khái niệm về quá trình ngưng tụ

Ngưng tụ là quá trình chuyển khí hoặc hơi sang trạng thái lỏng bằng cách làm lạnh khí hoặc nén làm lạnh khí đồng thời

Có hai phương pháp để tiến hành quá trình ngưng tụ :

+ Quá trình ngưng tụ gián tiếp: (hay còn gọi là ngưng tụ bề mặt ) tức là quá trình tiến hành trong thiết bị trao đổi nhiệt có tường ngăn cách giữa khí và tác nhân làm lạnh đi ngược chiều nhau Tác nhân làm lạnh cho đi từ dưới lên để tránh dòng đối lưu tự nhiên cản trở quá trình chuyển động của lưu thể Khí đi từ trên xuống để chất lỏng ngưng tụ chảy dọc xuống tự do và dễ dàng

+ Quá trình ngưng tụ trực tiếp (hay còn gọi là ngưng tụ hỗn hợp) Quá ttrình này tiến hành bằng cách cho khí và tác nhân làm lạnh tiếp xúc trực tiếp với nhau Tác nhân làm lạnh được phun trực tiếp vào trong khí sau đó ngưng tụ lại thành lỏng do vậy thiết bị ngưng tụ trực tiếp thường không đặt giá trị phân chia cao Nên chất lỏng ngưng tụ sẽ trộn lẫn với tác nhân làm lạnh

2, Đặc điểm của quá trình ngưng tụ

Quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp có thể được coi là quá trình làm lạnh đẳng áp (nếu ta bỏ qua một vài tổn thất áp suất khi khí chuyển động trong ống và thiết bị công nghệ) cho tới nhiệt độ tương ứng và áp suất đó thì xuất hiện pha lỏng

Khí đồng hành và khí tự nhiên là một hỗn hợp bao gồm nhiều cấu từ do đó qúa trình chuyển pha và các vùng tới hạn của chúng khác nhau nhiều so với qúa trình tương ứng với điểm đó là nhiệt độ và áp suất tới hạn Khi nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ tới hạn thì chất đó sẽ tồn tại ở trạng thái một pha Khi đó dù có thay đổi của bất kì tổ hợp các

Phạm Anh Tuấn 12

thông số nào thì cũng không thể đưa chất đó về trạng thái hai pha được vì vậy muốn hóa lỏng khí ta chỉ được phép tiến hành nhiêt độ tới hạn

Ví dụ :

Nhiệt độ tới hạn của CH4 là Tc = 190,55K nhưng với nhiệt độ môi trường là Tmt

= 298K thì Tc < Tmt Do đó nếu nén khí ở nhiệt độ môi trường thì cho dù có tăng áp suất tới 500 atm thì CH 4 cũng không hóa lỏng, khi đó ta chỉ thu được khí CH4 nén Vậy để hóa lỏng CH4 ta phải hạ nhiệt độ của CH4 xuống khoảng 111K (dưới nhiệt độ sôi của CH4 TsCH4 = 111,6 K với áp suất khí quyển

Điều này có nghĩa là quá trình hóa lỏng một phần hay toàn bộ khí bằng phương pháp nén chỉ thực hiện được khi hạ nhiệt độ khí đó xuống dưới nhiệt độ tới hạn

3, Quá trình chuyển pha của khí đồng hành

Quá trình chuyền pha đối với hệ khí một cấu tử ta có thể biểu diễn trên trục tọa độ

P-T trong đó trục tung là áp suất và trục hoành là nhiệt độ

Hình 2: Giản đồ pha hệ một cấu tử

Dọc theo đường FH không tồn tại pha lỏng, và pha rắn thăng hoa thành hơi

Điểm C là điểm tới hạn ứng với nhiệt độ tới hạn T c và áp suất tới hạn Pc thì tại đó các tính chất của pha lỏng và pha hơi trở thành đồng nhất

Đối với đơn chất điểm tới hạn được định nghĩa: là điểm mà phía trên nó pha lỏng không thể tồn tại như một pha độc lập Hay nói cách khác phía trên điểm tới hạn khí không thể bị hóa lỏng bằng cách nén áp suất cao

Đường HC thường gọi là đường áp suất hơi hay đường cong điểm sương và đường cong điểm bọt của đơn chất

* Xét quá trình pha đẳng áp của hệ một cấu tử trên hình 3.1

Từ”m”>”n”hệ ở trạng thái rắn Từ “o” đến “b”: hệ ở trạng thái lỏng, tại “b” hệ ở trạng thái lỏng bão hòa Bất kỳ sự cung cấp năng lượng nào cũng làm cho lỏng hóa thành hơi ở nhiệt độ và áp suất không đổi Tại “d”: hệ ở trạng thái hơi bão hòa, tiếp tục tăng nhiệt độ sẽ nhận được hơi qúa nhiệt

3.2 Giản đồ pha hệ nhiều cấu tử

Đối với hệ nhiều cấu tử, vị trí của các đường cong trên giản đồ pha phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp và các đường bao pha tạo thành không phải là một mặt phẳng,

mà có chiều dày như hình cái lưỡi với thành phần là biến số phản ánh chiều dày của

đường bao pha Trên hình 3.2a thể hiện giản đồ pha hệ nhiều cấu tử trong đó trục tung là

áp suất và trục hoành là nhiệt độ

Phạm Anh Tuấn 14

Hình 3: Giản đồ pha hệ nhiều cấu tử

* Điểm C là điểm tới hạn, tại đó hai pha trở thành một pha

* Điểm M là điểm tương ứng với áp suất lớn nhất mà tại đó hỗn hợp nhiều cấu tử tồn tại ở trạng thái hai pha

* Điểm N: là điểm tương ứng với áp suất lớn nhất mà tại đố hỗn hợp nhiều cấu tử tồn tại ở trạng thái hai pha

Bên trái đường cong điểm bọt hệ tồn tại ở trạng thái lỏng khi bắt đầu chạm tới đường cong điểm bọt thì hệ khí bắt đầu xuất hiện những bọt khí Khi sang đường cong điểm sương thì toàn bộ hỗn hợp khí trở thành hơi từ đường cong điểm bọt và đường cong điểm sương là miền mà tồn tại cân bằng giữa hai pha lỏng và hơi

+ Đường ABDE: biểu diễn quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt suy biến điển hình trong các mỏ khí condensate Điểm A biểu diễn pha lỏng chặt nằm bên ngoài đường bao pha khi giảm áp suất tới điểm B bắt đầu quá trình ngưng tụ Tiếp tục giảm áp suất lượng lỏng hình thành nhiều hơn từ điểm “A” đến “D” nằm trong miền suy biến được tạo bởi các điểm thay đổi độ dốc của các đường pha

+ Khi tiếp tục giảm áp suất ra khỏi miền suy biến đi từ D tới E thì lượng lỏng giảm dần cho tới khi đạt điểm sương (E) phía dưới điểm E hệ không tồn tại ở trạng thái lỏng chỉ tồn tại ở trạng thái hơi

Phạm Anh Tuấn 15

Điểm tới hạn C của hỗn hợp khí hydrocacbon luôn luôn ở phía bên trái của điểm

M và vị trí mà là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến sự thay đổi hướng của các đường lỏng hơi bên trong đường bao pha Điểm tới hạn C có thể nằm bên phải điểm N thể hiện như hình dưới đây

Hình 4a: Ảnh hưởng của thành phần

đến đường bao pha của hệ metan -

propan

Hình 4b: Vị trí quỹ tích tới hạn của một

số hệ bậc 2

Trên hình 3.2b là giản đồ của hệ bậc hai metan-propan cho thấy ảnh hưởng của

thành phần đến hình dáng vị trí của đường bao pha thì đường cong ngoài cùng là các đường áp suất hơi của metan - propan bắt đầu từ điểm tới hạn ba đường bao pha còn lại

là của ba hỗn hợp có tỷ lệ thành phần metan - propan khác nhau được gọi là quỹ tích tới hạn

Như vậy vị trí tới hạn trên mỗi đường bao pha thay đổi theo thành phần của hỗn hợp các hydrocacbon

Phạm Anh Tuấn 16

Ngoài ra các tạp chất như phi hydrocacbon như: H2O, CO2, H2S, N2 cũng có những ảnh hưởng đáng kể đến đường bao pha của hỗn hợp khí trong điều kiện nhiệt độ cao và áp suất thấp

- H2S, CO2 làm giảm điểm áp suất cực đại tồn tại lỏng hơi của hỗn hợp khí

- N2: Làm tăng điểm áp suất cực trị, tồn tại lỏng hơi hỗn hợp khí và giảm khả năng trộn lẫn

4, Hằng số cân bằng pha [1]

Cân bằng pha của hỗn hợp khí không phải là trạng thái tĩnh mà là cân bằng động, vẫn luôn tồn tại sự chuyển đồng của các phân tử từ pha lỏng sang pha hơi và ngược lại, tốc độ bay và tốc độ ngưng tụ là bằng nhau

Đại lượng đặc trưng cho sự phân bố của các cấu tử giữa các pha ở điều kiện cân bằng là hằng số cân bằng pha K được xác định bằng phương trình :

i

i i

y k x

 Trong đó : y i: là phần mol của cấu tử i trong pha hơi

x i: là phần mol của cấu tử i trong pha lỏng

Để xác định hằng số cân bằng pha của hệ nhiều cấu tử có nhiều cấu tử có các phương pháp sau

- Phương pháp giải tích: sử dụng các phương trình trạng thái khác nhau, tính toán hệ số fugat và hoạt độ của cấu tử, để từ đó xác định hằng số cân bằng pha

- Phương pháp giản đồ: là các giản đồ thể hiện các giá trị của K tại áp suất và nhiệt độ xác định của từng chất Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ xác định, sai số từ 5 – 10% Phổ biến nhất hiện nay là sử dụng các giản đồ NGPA và Neyrey

5, Phương pháp tính thành phần lỏng hơi [1]

Xét phương trình cân bằng vật liệu toàn hệ :

F= V + L Với một cấu tử bất kì: F.C i = V y i + L x i

x : là phần mol cấu tử i trong pha lỏng

K i: hằng số cân bằng pha lỏng – hơi

F : là tổng số mol nguyên liệu

V: là tổng số mol hơi

L: là tổng số mol lỏng Giả sử F = 1 ta có C i = V.y i + L.x i

Đồng thời, theo định nghĩa hằng số cân bằng pha y i = K.x i, ta có

i i

i

C x

L V K



 ; ( / )

i i

i

C y

i

C x

i

C y

6, Quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp trong chế biến khí đồng hành

Trong hỗn hợp khí đồng hành có thành phần các hydrocacbon khác nhau như:CH4,

C2H6…Do vậy tương ứng sẽ có các nhiệt độ ngưng tụ khác nhau, do đó quá trình làm lạnh

sẽ xảy ra như sau:

Phạm Anh Tuấn 18

+ Khi giảm nhiệt độ của hỗn hợp khí thì đến một lúc nào đó của hỗn hợp khí sẽ bắt đầu ngưng tụ(tương ứng với áp suất riêng phần trong hỗn hợp khí) lớn nhất Nếu như các cấu tử được phân bố đều trong hỗn hợp ban đầu Thì các cấu tử có nhiệt độ ngưng tụ lớn nhất sẽ ngưng tụ đầu tiên Khí hydrocacbon có đăc điểm quan trọng là: chúng hòa tan trong các hydrocacbon lỏng, do đó khi chuyển sang pha lỏng không chỉ có các cấu tử khác có nhiệt độ tới hạn thấp hơn cả nhiệt độ của hỗn hợp tại thời điểm đó

Ví dụ:

Hỗn hợp có 10% mol CH 4 có 90%mol C6H14 trong ống dẫn khí có thể ngưng tụ hoàn toàn khi làm lạnh đến 10oC với P = 2MPa Mặc dù nhiệt độ tới hạn của CH4 là Tc = -82,6oC Nhưng khi có mặt propan nó vẫn chuyển sang pha khí

Trong quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp, quá trình làm lạnh khí chỉ diễn ra tới khi đạt được mức độ ngưng tụ định mức của pha hơi (trong hỗn hợp khí ban đầu) được xác định bằng mức độ tách cần thiết các cấu tử chủ yếu ra khỏi hỗn hợp Điều này đạt được nhờ nhiệt độ làm lạnh cuối cùng hoàn toàn xác định ( tức phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp, áp suất của hệ) Nhiệt độ này tạo được bằng cách cung cấp cho quá trình một lượng nhiệt lạnh cần thiết

-Cùng một mức độ ngưng tụ (của hỗn hợp khí ban đầu) có thể đạt được bằng những tổ hợp các giá trị nhiệt độ và áp suất khác nhau Khi tăng áp suất trong hệ tức là tăng áp suất riêng phần của từng cấu tử, mức độ ngưng tụ nhiệt độ không đổi sẽ tăng lên

và quá trình này cũng sẽ xảy ra tương tự làm lạnh đẳng áp

- Mức độ ngưng tụ các hydrocacbon khi tiến hành trong quá trình đẳng áp và trong quá trình đẳng nhiệt Tuy nhiên, qúa trình ngưng tụ của hai trường hợp này lại khác nhau

Cụ thể trường hợp đẳng nhiệt thì mức độ ngưng tụ tăng nhưng sự phân tách các cấu tử hydrocacbon kém Ngược lại đối với quá trình đẳng áp

Vậy: Việc lựa chọn các thông số tối ưu cho quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp phụ thuộc vào thành phần ban đầu của hỗn hợp khí nguyên liệu, mức độ phân tích cấu tử chính định trước là rất quan trọng

Phạm Anh Tuấn 19

IV, Tổng quan về các công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp

1 Phân loại các sơ đồ công nghệ

Để chế biến khí theo phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp (NNT) có rất nhiều sơ

đồ công nghệ khác nhau Và ta có thể phân chia chúng dựa vào một số đặc điểm sau đây:

- Theo số loại phân ly cơ bản

- Theo loại nguồn nhiệt lạnh

- Theo loại sản phẩm cuối

Theo đó ta có sơ đồ phân loại công nghệ chế biến khí sau đây:

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

+ Sơ đồ NNT một bậc

+ Sơ đồ NNT có tách sơ bộ etan

+ Sơ đồ NNT có chu trình làm lạnh dùng tác nhân lạnh hỗn hợp

+ Sơ đồ NNT một bậc có chu trình làm lạnh ngoài bằng propan và etan để nhận C≥2

Phạm Anh Tuấn 20

+ Sơ đồ NNT hai bậc có chu trình làm lạnh ngoài bằng propan và etan để nhận C≥2

+ Sơ đồ NNT 3 giai đoạn

+ Sơ đồ nhà máy chế biến khí sử dụng tubin giãn nở khí

+ Sơ đồ NNT hai bậc có tuabin giãn nở khí, tiết lưu dòng chất lỏng để nhận

2 Phân tích lựa chọn công nghệ [1]

Trong công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp.Dựa vạo

số bậc tách, kiểu nguồn lạnh và cách đưa sản phẩm ra thì ta có các sơ đồ công nghệ chế biến khí khác nhau Theo đó mỗi một loại công nghệ ta đều có những ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng khác nhau

Để hiểu hơn ta đi xét một số sơ đồ công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp

sơ bộ etan

Sau khi được làm sạch sơ bộ, khí được đưa vào máy nén (1), tại đây khí được nén tới áp suất 3,0 - 4,0 Mpa và cao hơn khí nén đi qua thiết bị làm mát bằng không khí (2), được làm mát tới nhiệt độ -200C … -350C lần lượt trong các thiết bị trao đổi nhiệt (3), (4)

và (5) do dòng lạnh của khí khô và chất lỏng ngưng tụ từ tháp phân tách (7) và (8), ở đó hydroacbon đã ngưng tụ được tách ra Từ đỉnh tháp (7) khí khô thoát ra, sau khi truyền lạnh ở bộ phận trao đổi nhiệt (4) được đưa vào đường ống dẫn khí chính

Phần ngưng tụ từ bộ phạn phân tách (7) được bơm đến bộ phận trao đổi nhiệt (5), tại đây nó được nâng nhiệt độ lên do dòng khí nhiên liệu vào Sau đó chất lỏng ngưng tụ

Do quá trình đốt nóng sơ bộ condensat ở trong tháp tách (9), một phần các cấu tử

dễ bay hơi ( chủ yếu là C1,C2 và một ít C3) được bay hơi lên đỉnh tháp (9) gồm có hỗn hợp metan, etan, propan được trộn lẫn với khí khô đưa vào đường ống dẫn khí chính Sản phẩm đáy tháp chính là phân đoạn chứa hỗn hợp propan và hydrocacbon nặng

Như vậy nguyên liệu đưa vào tháp tách etan (9) đã được tăng tỷ trọng và với lợng

ít hơn so với sơ đồ NNT một bậc Điều đó cho phép tăng nhiệt độ đỉnh tháp (9) và giảm tác nhân làm lạnh cần thiết cho quá trình, cũng như làm giảm nhiệt cần để bay hơi các cấu

tử dễ bay hơi ở các tháp tách (7),(8) Mặt khác phải cần tăng tác nhân để làm lạnh khí nguyên liệu trước khi vào tháp (7) do cần phải làm lạnh cả khí làm lạnh lấy ra từ đỉnh tháp tách etan (9), kết quả là về mặt năng lượng tổng cộng vẫn có lợi

Lượng tác nhân lạnh cần thiết để ngưng tụ trước khi vào tháo tách (7) và ngưng tụ trên tháp tách etan (9) cũng như lượng nhiệt cần cung cấp cho đáy tháp etan (9), khi chế biến khí đồng hành có thành phần xác định phụ thuộc vào nhiệt độ cần thiết của condensat trong bộ phận trao đổi nhiệt (5) Vì vậy khi tính toán sơ đồ NNT có tách sơ bộ etan cần phải tìm tối ưu của condensat trong tháp tách (8), phụ thuộc thành phần nguyên liệu vào và các thông số của quá trình

* Ưu điểm:

- Lấy được nhiệt từ nguyên liệu đưa vào

- Tăng hiệu quả của chu trình lạnh và pha lỏng so với chu trình không tách sơ bộ etan do có tỷ trọng lớn hơn (vì ít cấu tử nhẹ)

- Tháp tách etan có thể làm việc ở nhiệt độ cao hơn do vậy tiết kiệm được nhiên liệu làm lạnh

* Nhược điểm:

- Vốn đầu tư lớn và thiết kế phức tạp hơn chu trình không tách sơ bộ etan do có thêm tháp tách

độ thấp ở bậc thứ ba, ở đó hơi ngưng tụ đến nhiệt độ đã chọn và trở thành hai pha lỏng và hơi Pha lỏng tách ra sau mỗi bậc ngưng tụ được đưa vào tháp tách etan

Sơ đồ NNT một bậc và nhiều bậc có những ưu điểm và nhược điểm riêng Với quá trình ngưng tụ một bậc, lượng lỏng tạo ra nhiều hơn so với nhiều bậc Tuy nhiên trong phần lỏng của ngưng tụ một bậc chứa nhiều cấu tử nhẹ, tức là độ chọn lọc của quá trình

có các công nghệ NNT có chu trình làm lạnh ngoài nhiều bậc cho độ phân chia cao

* Phạm vi ứng dụng của sơ đồ công nghệ: công nghệ này ứng dụng đối với hỗn hợp khí có độ phân tách các cấu tử chính không lớn,năng suất công nghệ cao

lỏng

Phạm Anh Tuấn 25

* Nguyên tắc hoạt động:

Khí có áp suất 5,2 MPa vào tháp tách 1, tại đây những giọt chất lỏng được tách ra khỏi khí Sau khi ra khỏi tháp tách, khí vừa được làm lạnh sẽ được dẫn đến tháp tách 5 Trước khi vào các thiết bị trao đổi nhiệt, người ta bơm metanol vào khí Trong tháp tách 3 pha 5, metanol bão hòa các hydrocacbon ngưng tụ và khí được tách riêng Dung dịch metanol trong nước được tái sinh trong tháp 7 các hydrocacbon ngưng tụ được đưa từ tháp tách 5 vào bộ phận thổi gió 8 ở đây áp suất giảm xuống 1,8 MPa, nhiệt độ condensat giảm xuống -84oC Khí tạo thành nhờ sự tiết lưu này từ tháp 8 được dẫn vào đường ống dẫn khí khô, còn condensate qua thiết bị trao đổi nhiệt vào phần giữa của tháp tách etan

10, giảm đến 1,8 MPa, sau đó được dẫn vào tháp tách 9 ở trên đỉnh của tháp 10 Khí từ tháp 9 sau khi truyền nhiệt ở 3 va 4 được máy nén đến áp suất 2,1 MPa, máy nén nối với một trục của tuabin 6, phân đoạn chứa các hydrocacbon nặng được tháo ra từ đáy tháp tách etan 10

* Ưu điểm công nghệ:

- Ở công nghệ này chỉ có một nguồn lạnh duy nhất là tuabin giãn nở khí Điều này đảm bảo tách triệt để hơn các cấu tử theo yêu cầu định trước như: etan, propan hay hydrocacbon nặng

- Ngoài ra việc sử dụng tuabin giãn nở : có khả năng tự động hóa hoàn toàn có thể xây dung sơ đồ chế biến khí thích hợp cho những mỏ khai thác khác nhau Do vậy giảm nhẹ được khối lượng công việc xây lắp trực tiếp hệ thống thiết bị

Với công nghệ này thì tổng hợp được các ưu điểm của hai quá trình công nghệ đó là: NNT có chu trình làm lạnh ngoại nhiều làm lạnh tổ hợp cụ thể : công nghệ có chu trình làm lạnh trong vừa cho độ phân tách cao và cho phép làm việc ở nhiệt độ làm lạnh sâu

* Nhược điểm: Thiết bị công nghệ với chu trình làm lạnh trong thường cồng kềnh, phức tạp, vốn đầu tư lớn

* Phạm vi ứng dụng: áp dụng đối với hỗn hợp khí có thành phần C≥3 không quá 70 – 75 g/m3 Với hệ số tách cấu tử chính là 85% propan và hầu hết các cấu tử cacbon nặng Khí khô sau khi chế biến được đưa thẳng đi tiêu thụ với áp suất 2,1MPa