Tính toán tháp làm khô khí bằng Dietylen glycol

Tính toán tháp làm khô khí bằng Dietylen glycol

LỜI NĨI ĐẦU

Khí là nguồn nguyên nhiên liệu vơ cùng quý hiếm, gần như khơng thể thay thế

và tái sinh được, nĩ đĩng vai trị cực kì quan trọng nếu khơng muốn nĩi là quyết định trong thời đại văn minh hiện nay và trong vài chục năm nữa khi mà những nguồn năng lượng khác vẫn chưa thể thay thế được Mọi sự biến động của cán cân cung và cầu của dầu khí đều lập tức ảnh hưởng đến mọi lĩnh vực kinh tế, đến chính sách xã hội, thậm chí cĩ thể dẫn đến xung đột vũ trang Con người khơng dùng trực tiếp khí thiên nhiên mà chế biến chúng thành các sản phẩm cĩ tính chất kỹ thuật được chuẩn hĩa

Do khí khi khai thác lên ngoài những thành phần chính là các hydrocacbon từ

C1-C10 còn chứa các tạp chất cơ học và các phi hydrocacbon như : CO2, N2, H2S,

H2O, Trước khi đưa vào các quá trình tách phân đoạn khí thì cần phải đưa vào quá trình xử lý để để loại các tạp chất cơ học và các hợp chất phi hydrocacbon ảnh hưởng đến quá trình chế biến Quá trình xử lý này cần phải cĩ các thiết bị như tháp hấp thụ, thiết bị trao đổi nhiệt, bình tách… nhưng chúng đều phải được thiết kế sao cho phù hợp với thành phần khí cần xử lý , điều kiện làm việc, dung mơi Để hiểu

rõ vấn đề này chúng ta đi tính tốn tháp làm khơ khí bằng Dietylen glycol (DEG)

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Danh Nhi đã giúp đỡ em hồn thành bài tập này

Trong quá trình làm bài do thời gian cĩ hạn nên khơng tránh khỏi những thiếu xĩt, sai lầm Mong thầy cĩ ý kiến chỉnh sửa giúp em

Em xin chân thành cảm ơn !

Vũng Tàu, ngày 03 tháng 04 năm 2010

Sinh viên thực hiện Lưu Thị Hường

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ KHÍ

1.1 Thành phần khí

Gồm các cấu tử chính là Hydrocacbon no từ C1 đến C12 (mà trong đĩ chủ yếu là C1

đến C4)

Trong khí thường chứa các tạp chất như: H2S, COS, CS2, RSH, khí trơ (He, Ar…),

N2, hơi nước… Sự có mặt các hợp chất cơ học trong khí, nó gây ảnh hưởng xấu tới quá trình hoạt động của các thiết bị, phức tạp trong quá trình vận chuyển, không an toàn trong sử dụng Do vậy, nguyên liệu vào phải được tách các hợp chất cơ học và các hợp chất phi hydrocacbon cĩ hại ra khỏi khí Nhìn chung quá trình tách này gồm :

 Tách các tạp chất cơ học

 Tách condensate

 Tách nước (làm khơ khí-khử nước)

 Khử khí axít (loại bỏ H2S, CO2 )

 Tách N2, và He

 Tách Hg

 Tách các phân đoạn hydrocacbon

1.2 Các phương pháp làm khơ khí

Mục đích : Trong dòng khí có chứa các phân tử nước, khi gặp điều kiện nhiệt độ áp suất thích hợp thì nó tạo thành các tinh thể hydrat, nó gây bịt kín các đường ống dẫn, gây ăn mịn thiết bị, làm giảm nhiệt trị của khí và ảnh hưởng đến quá trình làm việc của thiết bị vận chuyển Quá trình hình thành hydrat xảy ra khi áp suất riêng phần trong hỗn hợp khí lớn hơn áp suất hơi bão hòa của hydrat Như vậy, để làm giảm khả năng tạo thành hydrat thì phải làm giảm hàm lượng nước trong khí, khi đó

áp suất riêng phần của hơi nước trong khí sẽ giảm xuống thấp hơn áp suất của hydrat, nên sẽ làm ngưng quá trình tạo thành hydrat Quá trình làm khơ khí gồm có bốn phương pháp như sau:

 Phương pháp làm lạnh với sử dụng chất ức chế

 Phương pháp hấp thụ

 Phương pháp hấp phụ

 Phương pháp thẩm thấu

a Phương pháp sử dụng chất ức chế :

Về nguyên tắc người ta bơm các chất ức chế vào để ngăn cản quá trình tạo thành hydrat, chất ức chế thường sử dụng glycol hoặc mêtanol Glycol thường dùng là DEG (Dietylen glycol), TEG (tri etylen glycol), EG (etylen glycol) với nồng độ khoảng 60-80% khối lượng

Sự lựa chọn glycol phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

 Nhiệt độ đông đặc của dung dịch glycol

 Độ nhớt của dung dịch glycol

 Độ hạ nhiệt độ điểm sương đối với nồng độ glycol đã cho

 Thành phần khí

 Khả năng hòa tan của glycol

 Glycol dùng phải bền nhiệt và dễ tái sinh

 Hòa tan ít hoặc không hòa tan trong hydrocacbon

b Phương pháp hấp thụ :

Đây là phương pháp sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ chế biến khí Về nguyên tắc, phương pháp này dựa vào sự khác biệt về áp suất riêng phần của hơi

nước trong khí và trong dung môi hấp thụ, khí tiếp xúc ngược dòng với dung môi hấp thụ trên các đĩa van hoặc đệm Chất hấp thụ thường dùng là : DEG, TEG, EG Mỗi chất hấp thụ thì có những ưu việt riêng của từng loại, nói chung chúng có khả năng hút ẩm tốt, khá bền với sự có mặt của các khí axít, không đông đặc ở nhiệt độ thường khi dung dịch có nồng độ cao Nhưng nhược điểm của phương pháp này là chi phí đầu tư cao, khó tái sinh, cho nhiệt độ điểm sương của khí cao, có khả năng ăn mòn kim loại, điều này ít mang lại hiệu quả cho quá trình trình sử dụng công nghệ

c Phương pháp hấp phụ :

Phương pháp này được sử dụng khi yêu cầu khí sản phẩm có độ sạch cao Quá trình này được tiến hành khi người sử dụng một pha rắn có bề mặt riêng lớn, để giữ lại một cách chọn lọc trên bề mặt nó các cấu tử cần tách Do vậy, các chất hấp phụ thường được đặc trưng bởi cấu trúc xốp với các mao quản rất nhỏ để tạo ra bề mặt riêng lớn Các chất hấp phụ thường sử dụng là : Nhôm hoạt tính, silicagen, đất sét, zeolit

Những ưu nhược điểm của phương pháp:

+ Ưu điểm : Cho hiệu suất làm sạch rất cao, có thể làm giảm hàm lượng nước xuống còn 0,01 ppm và tạo ra cho khí có nhiệt độ điểm sương thấp, đồng thời zeolit có thể làm việc ở nhiệt độ cao

+ Nhược điểm : Giá thành tương đối cao do đó chỉ áp dụng khi yêu cầu điểm sương thấp

d Phương pháp thẩm thấu :

Nguyên tắc của phương pháp là dựa vào sự thẩm thấu của khí qua màn thẩm thấu Dưới tác dụng của màng thẩm thấu sẽ cho những phân tử có kích thước nhỏ

hơn kích thước của màng qua còn các cấu tử có kích thước lớn hơn sẽ được giữ lại Như vậy, áp suất càng cao thì quá trình thẩm thấu ngày càng nhanh Phương pháp này chỉ áp dụng khi độ tinh khiết của khí không cao

Qua các phương pháp đã nêu trên, ta thấy phương pháp hấp phụ là cho hiệu suất khử nước là cao nhất, đem lại hiệu quả kinh tế cao và dễ tự động hóa

PHẦN II: TÍNH TOÁN THÁP LÀM KHÔ KHÍ BẰNG

DIETYLEN GLYCOL (DEG)

Đề soá 6:

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

Lượng khí cần làm khô: 5.2.106 Nm3/ngày

Nhiệt độ khí nguyên liệu: 65oC

Áp suất khí nguyên liệu: 8.5 MPa

Điểm sương khí khô: +15oC

Áp suất khí khô: 8.2 MPa

Lưu lượng DEG nghèo: 34 kg DEA / 1kg H2O

I Tính toán các thông số

Sơ đồ tháp hấp thụ làm khô khí

1 Bước 1: Cụ thể hóa các dữ liệu ban đầu Các số liệu xuất phát để tính toán thiết

kế quá trình làm khô bằng Glycol là:

- Thành phần khí nguyên liệu:

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

Lượng khí nguyên liệu: 5.2.106 Nm3/ngày = 216.67.103 Nm3/h = 216.67.106 l/h

- Nhiệt độ khí nguyên liệu: 65oC

- Áp suất khí nguyên liệu: 8.5 MPa

- Điểm sương cần đạt đối với khí ra: +15oC

- Áp suất khí khô: 8.2 MPa

- Chất hấp thụ cần dùng: DEG (HO(-CH2-CH2-0-)2H)

- Lưu lượng DEG nghèo bơm vào: 34 kg DEA / 1kg H2O

2 Bước 2: Xác định nồng độ tối thiểu của dung dịch glycol (min)

Kinh nghiệm thực tế cho thấy ở các thiết bị công nghiệp, sự làm khô khí đến điểm sương cân bằng là không thể thực hiện được vì khí chỉ tiếp xúc với glycol có nồng độ

đã tính toán tại mâm trên cùng, còn ở các mâm dưới nồng độ các glycol sẽ giảm đi do

sự hấp thụ nước Do đó trong các thiết bị công nghiệp điểm sương thực tế của khí cần làm khô sẽ cao hơn từ 5 – 11 oC so với điểm sương cân bằng Ta có theo đầu bài cho điểm sương khí khô +15oC nên ta sẽ chọn điểm sương thấp hơn 8oC điểm sương khí khô là 7oC Theo đầu bài nhiệt độ khí nguyên liệu 65oC, do 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 65oC xuống 40oC nhiệt độ khí nguyên liệu vào tháp (nhiệt độ tiếp xúc) là 40oC

Dựa vào đồ thị trên hình II.7, trang 98 [1] biểu diễn sự phụ thuộc của khí nguyên liệu và điểm sương của khí ra với dung dịch DEG ta xác định được min của DEG trong dung dịch:

Điểm sương khí khô: 7oC

Nhiệt độ khí nguyên liệu: 40oC

min= 96,8 %  97%

Vậy với khí nguyên liệu có nhiệt độ vào 40oC và điểm sương khí khô 7oC ta phải sử dụng dung dịch DEG 97%

3 Bước 3: Xác định hàm lượng ẩm (W) của khí cần làm khô dựa theo đồ thị II.1,

trang 52 [2]

Theo thành phần khí nguyên liệu ta thấy H2S chiếm 1,8% thể tích Vậy hàm lượng của H2S được xác định như sau:

- Áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng:

) 15 273 ( 082 0

018 0 10 67 216













RT

PV

mol

 mH2S = 165145 x 34 = 5615.103 g

 Hàm lượng H2S trong 1 m3 là: 25.9

10 67 216

10 5615

3

3

 g/Nm3 >> 5.7 mg/Nm3

Mà hàm lượng CO2 2,5% > 2%

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

Từ đồ thị II.1:

 Tnguyên liệu = 40oC, P = 8.5 MPa  WHC = 940.10-6 (kg/m3)

2 S = 2700.10-6 (kg/m3)

WCO

2 = 1400.10-6 (kg/m3)

Áp dụng phương trình hàm lượng ẩm của khí chua:

W1 = WHC.YHC + WH2S.YH2S + WCO2.YCO2

= 940.10-6.0.957 + 2700.10-6.0,018 + 1400.10-6.0,025 = 983 10-6 (kg/m3)

 Tkhí khô = 15 oC, P = 8.2 MPa  W2= 262.10-6 (kg/m3)

Trong đó:

W1 – Hàm lượng ẩm của khí nguyên liệu (kg/m3)

W2 – Hàm lượng ẩm của khí khô (kg/m3)

Tính lưu lượng của dung dịch DEG nghèo theo phương trình:

L1 = V.( W1 - W2 ).l (3) Trong đó:

V – Lưu lượng thể tích khí nguyên liệu (Nm3/h)

L1 – Lưu lượng của dung dịch DEG nghèo (kg/h)

l – Lưu lượng riêng của DEG

Thay V = 216.67.103 m3/h vào (3):

l = 34 kg DEA / 1kg H2O

W1 = 983 10-6 (kg/m3)

W2= 262.10-6 (kg/m3)

 L1 = 216.67.103.( 983 10-6 - 262.10-6).34 = 5311.4 (kg/h)

Ta có nồng độ của dung dịch DEG giàu được xác định theo phương trình cân bằng vật chất dựa trên độ ẩm trong pha lỏng và khí:

2

 =

L

L

2 1 1

1 1







(4)

Trong đó: 1 - Nồng độ phần khối lượng của dung dịch DEG vào (% ) ( 1 min)

V – Lưu lượng khí nguyên liệu vào Nm3/h)

Ta lấy 1 = 97%

Thay 1 = 97% vào (4):

V = 216.67.103 m3/h

W1 = 983 10-6 (kg/m3)

W2= 262.10-6 (kg/m3)

L1 = 5311.4 (kg/h)

 2 =

10 67 216 10

262 10

983 4 5311

97 4 5311











5 Bước 5: Tính lưu lượng DEG giàu (L2) theo phương trình:

L2 = L1 + ( W1 - W2 ).V

= 5311.4 + (983 10-6 - 262.10-6).216.67.103

= 5467.6 (kg/h)

6 Bước 6: tính hằng số cân bằng K của quá trình hút ẩm theo phương trình:

1 1

2

1 44 748

18 1













o

o

M

M W

(6)

Trong đó:

Mo – Khối lượng phân tử của DEG

Đổi đơn vị: W2 = 262.10-6 kg/m3 = 262.10-3 g/m3

W2 = 262.10-3 g/m3

1 = 97 %

1 0.97

106 44 748

97 0 18 106 97 0 1 10



















= 0.0022

7 Bước 7: Xác định yếu tố hấp thụ A theo phương trình:

A = '

'

KV L

Trong đó:

L’ – Lưu lượng dung dịch glycol nghèo vào (kmol/h)

V’ - Lưu lượng khí nguyên liệu (kmol/h)

Đổi đơn vị: L’= 5311.4 (kg/h) =

106

4 5311

= 50.1 (kmol/h)

V’= 216.67.103 m3/h =

6 23

10 67

= 9180.9 (kmol/h)

 A =

9 9180 0022

0

1 50

8 Bước 8: Tính hệ số tách ẩm thực tế  T (0<  T<1) theo phương trình:

733 0 10

983

10 262 10

983

6

6 6

2

2 1













W

W W

T

Vậy hiệu quả hấp thụ thực tế là 73.3%

9 Bước 9: Tính hệ số tách ẩm lý thuyết  lt (0<  lt<1) theo phương trình:

lt

1

' 1

o n

n T

KX Y

Y









(9)

Trong đó:

'

o

X - Nồng độ phần mol của H2O trong dung dịch DEG nghèo được tính theo phương trình:

'

o

106

97 0 18

97 0 1 18

97 0 1

18 1 18 1

1

1

















o

M







'

1



n

Y - Phần mol của H2O trong khí nguyên liệu được tính theo phương trình:

' 1



n

18

6 23 10 983 18

6



W

154 0 0022 0 00129

.

0

00129 0 733 0









Vậy hiệu quả hấp thụ lý thuyết là 99.4%

10 Bước 10: Xác định số đĩa lý thuyết dựa vào phương trình Kramser (rút gọn):

lt

 =

1 1 1









n n

A

A A

 A n1=

1





lt

lt A





 n+1 = log 













 1

lt

lt A

















 1 994 0

48 2 994 0

: log(2.48) = 6.069

 n = 5.069 (đĩa)

Vậy số đĩa lý thuyết là 5.069 đĩa

11 Bước 11: Tìm số đĩa thực tế (nth) theo phương trình:



lt th

n

n 

Trong đó:

 - Hiệu suất làm việc của đĩa thường nằm trong khoảng 0.25 -0.4

Ta chọn:  = 0.35

35 0

069 5





th

Vậy số đĩa thực tế là 15 đĩa

12 Bước 12: Tính đường kính tháp hấp thụ D theo phương trình:

D =

WP

QT

1 0 0114

Trong đó:

D– Đường kính tháp (m)

Q – Lưu lượng khí nguyên liệu (Nm3/h)

T – Nhiệt độ khí nguyên liệu (oK)

P- Áp suất khí nguyên liệu (MPa)

W - Vận tốc tuyến tính cuả khí trong tháp (m/h)

T = 40 + 273 = 313 oK

P = 8.5 MPa

W =0.13 m/s = 0.13.3600 = 468 m/h

5 8 468

313 10 67 216 1









(m) = 470mm

Vậy đường kính tháp hấp thụ là 470mm

13 Bước 13 : Tính chiều cao tháp hấp thụ H theo phương trình :

H = nth x d + h (13) Trong đó :

d – khoảng cách giữa các đĩa (d = 0.5 – 0.6 m )

h – chiều cao bổ trợ tính cho chóp đỉnh và chóp đáy (h = 1.2 – 1.6 m)

Ta lấy : d = 0.55 m

h = 1.4 m

Thay vào (13) ta được :

H = 15 x 0.55 + 1.4 = 9.65 (m)

Vậy chiều cao tháp hấp thụ 9.65m

II Kết luận

Qua quá trình tính toán ta thấy với khí nguyên liệu có thành phần như trên ta cần thiết

kế tháp làm khô khí bằng Dietylen glycol có các thông số sau :

Các thông số

- Khí nguyên liệu : Lưu lượng (m3/h)

Nhiệt độ (oC)

Ap suất (MPa)

Hàm lượng ẩm W1 (kg/m3)

216.67.103 40

8.5 983.10-6

- Khí khô : Điểm sương (oC)

Áp suất (MPa)

Hàm lượng ẩm W2(kg/m3)

+15

34 262.10-6

- DEG nghèo vào: Lưu lượng riêng (kg DEG/1 kg H2O)

Lưu lượng L1 (kg/h)

Nồng độ tối thiểu min(%)

Nồng độ 1(%)

8.5 5311.4

97

97

- DEG giàu : Nồng độ 2(%)

Lưu lượng L2 (kg/h)

94.2 5467.6

- Hằng số cân bằng của quá trình hút ẩm K 0.0022

- Hệ số tách ẩm: Thực tế

Lý thuyết

0.733 0.994

- Tháp hấp thụ: + Số đĩa: Lý thuyết (đĩa)

Thực tế (đĩa)

+ Đường kính (mm)

+ Chiều cao (m)

5.069

15

470 9.65

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Công nghệ chế biến khí thiên nhiên và khí dầu mỏ, trường ĐH

Tp.HCM

2 John M Campbell, Gas Conditioning and Processing, Volume 1