Bài giảng công nghệ khí (ths hoàng trọng quang) chương 6

Các lý do chính để người sử dụng đặt ra các thông số kỹ thuật cụ thể được yêu cầu đối với khí là: Người sử dụng khí luôn cần một áp suất chuyển giao tối thiểu Trong hầu hết các trường hợ

Trang 2

Nồng độ tối thiểu của glycol sạch

Tính toán lượng glycol tuần hoàn

Tính toán, thiết kế contactor

Trang 3

Khí thường được khai thác ở các điều kiện áp suất, nhiệt

độ và có các thành phần làm cho việc vận chuyển khí khó khăn, đắt tiền hoặc không thể thực hiện được và khí có thể

có những tính chất không tuân theo các yêu cầu của nơi

Mục đích của xử lý khí

Trang 4

Các thành phần trong khí gây ra nhiều vấn đề khó khăn trong việc vận chuyển, đối với cả bộ phận sản xuất cũng như bộ phận tiêu thụ khí là:

Hơi nước (ăn mòn, hydrat) Sunfua hydro - H2S (độc hại, ăn mòn) Dioxit cacbon - CO2 (ăn mòn)

Thủy ngân - Hg (ăn mòn) Các hydro nặng hơn (gây ra dòng chảy hai pha trong ống vận chuyển)

Trang 5

Ở áp suất cao các thiết bị có thể nhỏ hơn về kích thước nhưng

bề dày của thành sẽ lớn và có thể cần một loại thép đặc biệt, do

đó sẽ đắt tiền.

Để thu hồi hydrocacbon nặng hơn từ khí, áp suất tối ưu vào

NHIỆM VỤ, MỤC ĐÍCH CỦA XỬ LÝ KHÍ

Trang 6

Khí thường bão hòa hơi nước khi được khai thác Nước ở pha lỏng sẽ gây

ăn mòn khi có mặt CO2 và H2S trong khí tạo thành hydrat.

Hydrat có thể làm bít đường ống khí, thiết bị và các van ở nhiệt độ cao khoảng 20 o C Áp suất càng cao và nhiệt độ càng thấp thì càng có khả năng để hydrat tạo thành.

Các lý do chính để người sử dụng đặt ra các thông số kỹ thuật cụ thể được yêu cầu đối với khí là:

Người sử dụng khí luôn cần một áp suất chuyển giao tối thiểu Trong hầu hết các trường hợp, khí sử dụng làm nhiên liệu do đó người sử dụng cần một năng suất tỏa nhiệt tối thiểu và tối đa của khí

Trong gần như tất cả các trường hợp, người sử dụng khí có các thông số nghiêm ngặt đối với hàm lượng H2S bởi vì tính độc hại của nó Đối với khí làm nhiên liệu gia dụng thì thông số cụ thể là nhỏ hơn 5mg/m 3

Người sử dụng khí không muốn có nước trong khí với lý do tương tự như

Trang 7

Khoa Kỹ thuật Địa chất & Dầu khí

Người sử dụng khí không muốn các hydrocacbon nặng tạo thành trong đường ống Thông thường người ta đưa ra thông số điểm sương của hydrocacbon.

Một số thành phần khí có trong khí có thể gây hỏng các thiết bị trong nhà máy cũng như gây nguy hiểm.

Các thông số kỹ thuật của khí thành phẩm:

Năng suất tỏa nhiệt (nhiệt cháy): có thể ở giữa 20 và 65 MJ/m 3

Áp suất chuyển giao: có thể thấp cỡ 2 atm và cao cỡ vài trăm atm.

Điểm sương của hydrocacbon: tiêu biểu từ -8 o C → 0 o C ở tất cả các giá trị áp suất có thể.

NHIỆM VỤ, MỤC ĐÍCH CỦA XỬ LÝ KHÍ

Trang 8

Quy trình xử lý khí cơ bản bao gồm các bước sau:

Tách khí ra từ dung dịch tự do như dầu nặng, condensate, nước, hạt rắn lên theo.

Xử lý khí để tách những chất ngưng tụ và thu hồi những hơi hydrocacbon.

Xử lý tách hơi nước ngưng tụ mà trong một số điều kiện thích hợp nào đó nó sẽ tạo thành hydrat.

Xử lý để tách ra khỏi khí những hợp chất không mong muốn như

H2S, CO2.

Trang 9

LÀM KHÔ KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ

Trong công nghiệp quá trình hấp thụ được dùng để:

Thu hồi các cấu tử trong pha khí Làm sạch pha khí

Tách hỗn hợp thành các cấu tử riêng biệt Tạo thành một dung dịch sản phẩm

Trong trường hợp thứ nhất và thứ ba bắt buộc phải tiếnhành quá trình nhả hấp sau khi hấp thụ để thu hồi các cấu

tử và dung môi Trong trường hợp thứ hai thì quá trình nàykhông cần thiết nếu dung môi rẻ tiền, dễ kiếm (ví dụ:

Mục đích

Trang 10

Trong đó một hỗn hợp khí được cho tiếp xúc với một chấtlỏng nhằm mục đích chọn lựa một hay nhiều cấu tử củahỗn hợp khí để tạo nên một dung dịch các cấu tử trongchất lỏng.

Trang 11

Là quá trình truyền khối từ pha khí sang pha lỏng

Đây là quá trình tương tác vật lý giữa hơi nước và dung môi

Hai định luật chi phối quá trình hấp phụ:

trong đó:

– Pi : áp suất riêng phần của cấu tử i – Pi* : áp suất hơi của cấu tử i nguyên chất – Ptotal : áp suất tổng của dòng khí

– Xi : % cấu tử i trong pha lỏng

Raoult: Pi = Pi* x Xi

Dalton: Pi = Ptotal x Yi

Trang 12

Yêu cầu của dung môi:

Có ái lực với nước mạnh, và với HC thấp

Có độ bay hơi thấp tại nhiệt độ hấp thụ: giảm mất mát dung môi

Có độ nhớt thấp: dễ bơm và tiếp xúc tốt với dòng khí

Có độ bền nhiệt tốt: hiệu quả thu hồi cao Khả năng gây ăn mòn thấp

Triethylene glycol (TEG) là dung môi phổ biến nhất

Trang 13

Trang 14

Trong đó một hỗn hợp khí được cho tiếp xúc với một chấtlỏng nhằm mục đích chọn lựa một hay nhiều cấu tử củahỗn hợp khí để tạo nên một dung dịch các cấu tử trongchất lỏng.

Vật chất luôn luôn đi từ nơi có tích tụ cao đến nơi có tích tụthấp Sự tích tụ của chất hấp thụ của phần hơi phải caohơn của phần lỏng

Ở Stripping, ngược lại với sự hấp thụ, sự tích tụ của phầnlỏng cao hơn cả hai Sự tích tụ là driving force Thuật ngữ

“concentration – Sự tích tụ” trong phần này có liên quan

đến “sự cân bằng”

Trang 15

Sức kháng chuyển đổi thì tương hổ với diện tích Theo kinh nghiêmk

hệ số chuyển đổi vật chất gồm sự ảnh hưởng của tất cả thay đổi của

sự tích tụ có thể chấp nhận được

Đối với sự hoạt động của hệ thống đã cho tại những điều kiện đặc biệt với các tính chất đặc trưng của các dòng chảy nhánh, hiệu quả của vật chất chuyển đổi tùy vào diện tích tiếp xúc giữa hơi và lỏng, và cũng trên những yếu tố đó (như là độ nhớt, sức căng bề mặt, độ nhớt tương đối…) mà ảnh hưởng sự khuyếch tán của các phân tử của vùng giao giữa chất lỏng – hơi Diện tích, gradient nhiệt độ và tỉ số hơi lỏng của vật chất chuyển đổi là những biến sẵn có để cho việc thiết kế qui trình làm việc đạt hiệu quả kinh tế.

Trang 16

Đối với một vùng phân đoạn với một thành phần no và điều kiện pha, tại áp suất phù hợp, các biến cơ bản, để thiết kết việc kiểm soát nhiệt

độ tại đáy và đầu vùng tiếp xúc hơi lỏng Trong chất hấp phụ các biến

cơ bản sẽ là lưu lượng hấp thụ, thành phần hấp thụ, và khối lượng tiếp xúc của vùng hấp thụ.

Có ba cách cơ bản để làm lớn nhất diện tích tiếp xúc giữa phần hơi lỏng trên một đơn vị thể tích của tháp:

Điểm sôi khí qua lỏng Bơm chất lỏng dạng giọt sương vào dòng khí Dòng chất lỏng dưới dạng dẻo trên bề mặt trong diện tích lớn Các hình thể cơ học khác nhau có thể được phát triển để thiết lập những yếu tố này.

Trang 17

Các loại mâm (plate – tray) trong tháp (tower)

Hình minh họa của các mâm trong tháp

Trang 19

Structured Parking và Bubble cap

Trang 21

Các tháp sử dụng Structured và/hoặc Packing ngẫu nhiên

Trang 22

Khí được làm khô với mục đích tách hơi nước ra khỏi khí gas để tránh hiện tượng có nước tự do xuất hiện trong hệ thống (nước là nguồn gốc của hiện tượng hydrates và ăn mòn)

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

Với ưu điểm của TEG 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

Trang 23

Hấp thụ hơi nước bằng các tác nhân sấy rắn hoạt tính, ngưng tụ

ẩm do nén, hoặc làm lạnh khí.

Trang 24

(Khí khô)

(Hơi nước)

(tia khí) (Glycol nghèo)

Tháp tiếp xúc Glycol

Glycol giàu

Trang 25

và được đưa đi thu hồi.

Áp suất hoạt động của tháp hấp thụ: 70 - 80 bar

T của dòng khí ướt : 18 - 38 o C

Trang 26

Nồng độ của glycol sạch là yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất đến điểm sương của khí gas nó cao hơn ngay cả khi bạn tăng lưu lượng tuần hoàn glycol.

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

8oC đến 12oC so với điểm sương cân bằng

Thông thường làm khô khí bằng glycol được thực hiện đến điểm sương không thấp hơn –25oC đến –35oC Muốn làm khô triệt để thì cần dung dịch glycol có độ sạch càngcao

Trang 27

Trang 28

Giả sử nhiệt độ điểm sương sau khi làm khô khí gas

là –5oC nhiệt độ tháp tiếp xúc là 46oC để đạt được các yều nhiệt độ điểm sương này trong khi tra đồ thị

ta lấy giảm nhiệt độ điểm sương xuống thêm 10oC, vậy khi đó nhiệt độ điểm sương là –15oC Tọa độ của điểm sương cân bằng –15oC và nhiệt độ tháp tiếp xúc 46oC rơi vào đường nồng độ glycol sạch là 99.5%, đây chính là nồng độ glycol sạch yêu cầu

Đường nồng độ đứt đoạn ứng với nồng độ 98.5%

đây là giới hạn của nồng độ glycol có thể tái sinh ở

204oC và áp suất bình tái sinh (áp suất điều kiện tiêu chuẩn)

Trang 29

Khi muốn đạt nồng độ glycol sau khi tái sinh lớn hơn thì phải được tái sinh trong điều kiện áp suất chân không (<101 Kpa) hoặc/và có sự tham gia của khí stripping gas.

Cứ giảm đi 1 kpa trong bình tái sinh thì nồng độ phần trăm khối lượng glycol sạch tăng thêm 0.014% Khí stripping gas này phải

giảm áp suất hơi nước trên bề mặt dung dịch, thúc đẩy sự bốc hơi nước ra khỏi dung dịch.

Trong thiết bị tái sinh glycol nhiệt độ được duy trì trong khoảng

CÁCH TRA NỒNG ĐỘ GLYCOL SẠCH THEO YÊU CẦU

Trang 30

Nhiệt độ giới hạn trên trong tháp tiếp xúc được xác định bằng sự tiêu hao cho phép của glycol do bay hơi và trong thực tế nhiệt độ này vào khoảng 38oC.

Còn giới hạn dưới phụ thuộc vào sự giảm khả năng hút

ẩm của glycol gây ra bởi sự tăng độ nhớt của glycol nhiệt

độ cực tiểu này vào khoảng 10oC

Trong hầu hết các hệ thống làm khô khí bằng glycol, lưu lượng glycol tuần hoàn vào khoảng 15-40 lites TEG cho 1

kg H2O tách ra, đây là dải giá trị được cho là có kinh tế nhất

Trang 31

LÀM KHÔ KHÍ BẰNG GLYCOL

Trang 32

Ta thực hiện 6 bước sau:

Bước 1:

Từ nhiệt độ điểm sương yêu cầu của khí gas sau khi làm khô trừ tiếp khoảng 10 o C và nhiệt độ tháp tiếp xúc, ta tra ra nồng độ Xgl (%) yêu cầu qua đồ thị HÌNH 8.

Trang 33

LƯU LƯỢNG GLYCOL TUẦN HOÀN

Trang 35

HÌNH 9 ĐỒ THỊ TRA LƯU LƯỢNG STRIPPING KHI CHO STILL COLUMN

Trang 36

VÍ DỤ:

Hệ thống làm khô khí cho dòng khí 3x106 std m3/d, γ = 0,6,

áp suất 12500kpa và 40oC, nhiệt độ điểm sương yêu cầu –

5oC contactor có số mâm lí thuyết N = 1.5

Tính toán nồng độ tối thiểu của glycol sạch và lưu lượng tuần hoàn để đạt được nhiệt độ điểm sương cân bằng là -

5oC thì trong tính toán ta phải lấy nhiệt độ điểm sương tính toán thấp đi thêm 10oC khi đó nhiệt độ điểm sương tính toán là -15oC

Trang 38

Lượng nước bão hòa của khí khi vào contactor (12500kpa, 40 o C) tra

Vậy lượng TEG sạch tuần hoàn là 31(liter)x80 = 2480 lit/h

Để tra lưu lượng stripping gas ta dùng đồ thị HÌNH 9 tra được 1 std m3

Trang 39

Trang 40

Vận tốc cho phép của khí gas khi qua contactor:

ρg: Khối lượng riêng pha khí ở điều kiện contactor kg/m 3

Riêng đối với contactor dùng structured packing thì có thể dùng:

5 , 0

Trang 41

Khi đó đường kính tối thiểu của contactor là:

qact = qstd PstdTactZact/(86400PactTstd)

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CONTACTOR

Trang 42

40 o C, 7000kpa, hệ số nén của khí là z = 0,85, M w = 19 tính kích cỡ contactor dùng bublecaps, structured packing

(K s = 0,055m/s nếu contactor dùng bublecaps)

qact = qstd PstdTactZact/(86400PactTstd)

= 1000000x101x313x0.85/(86400x7000x288) = 0.154m 3 /s

d = [4qact/(πv)] 0,5

= [4x0,154/(0,23x3,14)] 0,5 = 0,92m

Trang 43

v = 3/(ρg)0,5 = 3/600,5 = 0,39

d = [4qact/(πv)] 0,5 = [4x0,154/(0,39x3,14)] 0,5 = 0,71m

BÀI TẬP VÍ DỤ

Trang 45

Trang 47

Trang 49

Định dạng
Số trang	49
Dung lượng	21,1 MB