Trường Đại Học Bà Ria-Vũng Tàu Khoa Hóa Và Công Nghệ Thực Phẩm ĐỀ TÀI: PHƯƠNG PHÁP LÀM NGỌT SẠCH KHÍ TỰ NHIÊN BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ VÂT LÍ GVHD:TS.NGUYỄN HỒNG CHÂU SVTH: NGUYỄN HOÀNG
Trang 1Trường Đại Học Bà Ria-Vũng Tàu Khoa Hóa Và Công Nghệ Thực Phẩm
ĐỀ TÀI:
PHƯƠNG PHÁP LÀM (NGỌT) SẠCH KHÍ TỰ NHIÊN BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ VÂT
LÍ
GVHD:TS.NGUYỄN HỒNG CHÂU SVTH: NGUYỄN HOÀNG TÂN
NGUYỄN THANH SANG TRẦN ĐOÀN QUỐC VIỆT
LÊ THANH THẮNG NGUYỄN ĐỊNH GIANG PHAN XUÂN DƯƠNG
VÕ TRUNG HIẾU
Trang 2I. GIỚI THIỆU VỀ KHÍ TỰ NHIÊN.
Gồm 2 thành phần chính: hydrocacbon và không hydrocacbon
-Hydrocacbon: chủ yếu từ C1-C4,C4 - C7 ít hơn
-Hdrocacbon không no: H2O (hơi, lỏng), N2, CO2, H2S, COS, CS2, RSH, H2, He…còn
có chứa một lượng đáng kể các tạp chất có tính axit như cacbonic (CO2), hydrosunfua (H2S) và các hợp chất chứa lưu huỳnh khác như oxyt lưu huỳnh cacbon (COS), disunfua cacbon (CS2), mecaptan (RSH) Các tạp chất kể trên là các tạp chất không mong muốn trong quá trình khai thác, chế biến, vận chuyển, sử dụng và bảo quản khí cho mục đích làm nguyên liệu đốt, tổng hợp hữu cơ-hóa dầu Sự tồn tại của các khí axit gây nên sự ăn mòn kim loại, giảm hiệu quả của các quá trình xúc tác, làm ngộ độc xúc tác, gây ô nhiễm môi trường, độc hại cho người sử dụng Bên cạnh đó sự có mặt ở hàm lượng cao CO2
trong khí cũng làm giảm nhiệt cháy của khí, giảm hiệu quả của quá trình vận chuyển khí.Sự có mặt của các cấu tử mang tính axit trong khí cần phải được khống chế ở một hàm lượng đủ nhỏ nhằm giảm thiểu những tác hại mà các khí axit này gây ra cho thiết bị, máy móc, môi trường và sinh vật
Cộng hòa liên bang Nga quy định hàm lượng H2S không được vượt quá 22mg/m3 còn Mỹ quy định khắt khe hơn: hàm lượng H2S không được vượt quá 5,7mg/m3; nồng độ
CO2 trong khoảng 1~2% thể tích; ∑[S] <=22-228 mg/m3,…
Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu nhằm làm sạch khí tự nhiên và khí đồng hành khỏi các cấu tử axit bằng các phương pháp hấp phụ và phương pháp hấp thụ.Việc lựa chọn các phương pháp làm ngọt khí cần chú ý đánh giá thành phần của nguyên liệu bao gồm cả tạp chất mà trong khí thành phẩm yêu cầu phải loại bỏ Một số tạp chất khi tác dụng với các dung môi có thể hình thành các hợp chất hóa học mà trong giai đoạn tái sinh sẽ không bị phân hủy (phản ứng không thuận nghịch trong điều kiện quá trình) Điều này dẫn đến giảm hoạt tính dung môi và kết quả là dung môi mất hoàn toàn hoạt tính Thực tế cho có những lượng tạp chất nhỏ đôi khi lại gây những ảnh hưởng rất lớn đến việc lựa chọn dung môi hoặc công nghệ làm sạch khí Ví dụ như tỷ lệ H2S/CO2 trong khí nguyên liệu cần phải được các nhà công nghệ xem xét thận trọng do nồng độ H2S trong cáckhí axit là yếu tố quyết định lựa chọn công nghệ, phương pháp làm sạch khí, phương pháp xử lý và thu hồi chất thải của công nghệ
Khí thiên nhiên không kể từ nguồn nào khi tách ra khỏi dầu thô (nếu có) thường tồn tại trong các hỗn hợp với các hydrocacbon khác, chủ yếu là C2H6, C3H8, C4H10, và C5H11 Ngoài ra, khí thiên nhiên thô còn chứa hơi nước, H2S, CO2, He, N2 và các hợp chất khác Trong thành phần của khí tự nhiên và khí đồng hành, ngoài các cấu tửchính là cáchydrocacbon no còn có một lượng đáng kể các tạp chất có tínhaxit như CO2, H2S vàcác hợp chất chứa lưu huỳnh khác như COS, CS2 ,mercaptan RSH, thiophen gây độc hại cho người sử dụng, ô nhiễm môitrường, ngộ độc xúc tác,và gây nhiều khó khăn cho quá trình vận chuyển và sử dụng
Trang 3II CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM SẠCH KHÍ H 2 S VÀ CO 2 (làm ngọt khí)
Có 4 phương pháp làm sạch khí:
Phương pháp hấp thụ: Hấp thụ Hóa Học và hấp thụ Vật Lý
Phương pháp hấp phụ
Phương pháp thẩm thấu
Phương pháp chưng cất
Dùng chất xúc tác (oxi hóa-khử)
Một số quá trình làm sạch khí
Hấp thụ hóa học Hấp thụ vật lý
Quá trình Dung môi Quá
trình
Dung môi
Làm bằng sạch
alkanamine:
Econamin
Làm sạch bằng carbonat
kali:
-Thông thường
-Họat hóa, nóng
-Monoethanolamin,
-Diethanolamine,
-Diizopropanolami ne,
-Diglycolamine
-Dd K2CO3 nóng
-Dd K2CO3 nóng + 1,8% DEG
-Vetroco ke
-Stretfor d
-Fluor
-Selexol
-Purizon
-Sunfinol
-Rektizo n
- Dd muối arsenat kiềm nóng (K2AsO3)
- Dd muối natri(2,6-2,7 acid antrikhinolsunfon)
- Propylene carbonate
- Dd DMEPEG
- N-methylpyrolidon (NMP)
- Hỗn hợp dd diisopropanolamine và sunfolan
- Methanol
Trang 4III Phương pháp hấp thụ:
Các quá trình họat động dựa trên sự hấp thụ hóa học hoặc vật lý giữa dung môi và tạp chất, sau đó giải hấp để hòan nguyên dung môi và chuyển khí chua chứa H2S sang thiết bị sản xuất S theo quy trình Clause
• Riêng 2 quá trình Vetrocoke-H2S và Stretford họat động dựa trên việc hấp thụ H2S bằng dung môi hóa học và oxy hóa chúng trong thiết bị hòan nguyên thành S
• Quá trình Vetrocoke-H2S và Stretford được ứng dụng để làm sạch khí có hàm lượng H2S thấp (áp suất riêng phần đầu vào của H2S là 0,07 MPa và đầu ra là 0,002 MPa)
• Tiêu chuẩn để lựa chọn quá trình và dung môi hấp thụ:
Hàm lượng trước và sau khi làm sạch của tạp chất trong khí; hoặc áp suất riêng phần trước và sau khi làm sạch của tạp chất trong khí
- Áp suất riêng phần ban đầu quyết định số vòng tuần hòan chất hấp thụ
- Áp suất riêng phần sau khi làm sạch phụ thuộc mức tuần hòan chất hấp thụ, áp suất cân bằng và nhiệt độ của khí khi ra khỏi dung dịch
• Rẻ
• Không độc
• Dễ phân hủy khi thải ra môi trường
• Bền nhiệt và bền hóa học, dễ hòan nguyên
• Khả năng hấp thụ cao, ít phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu
• Có khả năng kết hợp với quá trình làm khô
• Có khả năng hấp thụ chọn lọc
• Không gây ăn mòn
• Độ mất mát thấp
• Có thể thay thế bằng một dung môi khác
• Khả năng tạo bọt thấp
• Khả năng hòa tan hydrocarbon thấp
• Nhiệt độ đông đặc thấp
1 Phương pháp hấp thụ hóa học:
- Dung môi hấp thụ: dung dịch monoethanolamine (MEA), diethanolamine (DEA), diglycolamine (DGA)
Trang 5- Ưu điểm:
o Cho phép làm sạch đến mức tinh H2S và CO2
o Độ hòa tan hydrocarbon trong chất hấp thụ không cao
o Công nghệ và thiết bị đơn giản
- Khuyết điểm:
oKhông làm sạch hòan tòan H2S, CO2, RSH, COS và CS2
oMức độ lọai mercaptan và các hợp chất lưu hùynh thấp
oMercaptan, COS, CS2 có thể tương tác với dung môi và không thể hòan nguyên trong điều kiện phản ứng
oYêu cầu hệ số hồi lưu cao, chi phí nhiệt năng lớn
oCó khả năng tạo chất gây ăn mòn cao
Các quá trình hấp thụ vật lí
Quá trình làm ngọt khí bằng monoetanol amin (MEA):
Quá trình làm sạch khí bằng dung môi DEA
Quá trình làm sạch khí ADIP
Quá trình làm sạch khí Econamin
Quá trình làm sạch khí Stretford
Quá trình làm sạch khí bằng dung dịch K2CO3 nóng
Phương pháp hấp thụ bằng hỗn hợp etanol amin với etylen glycol
2.Phương pháp hấp thụ vật lý
Ngoài các phương pháp làm ngọt bằng phương pháp hấp thụ hóa học sử dụng dung môi ankanolamin cũng hay thấy sử dụng phương pháp hấp thụ vật lý như quá trình Flour, Selecsol, Purizol
• Khả năng hấp thụ phụ thuộc áp suất riêng phần của khí chua trong điều kiện làm việc:
Áp suất riêng phần thấp thì khả năng hấp thụ thấp Để quá trình hấp thụ vật
lý diễn ra hiệu quả, cần thực hiện quá trình ở nhiệt độ thấp
Áp suất riêng phần >= 5MPa: dung môi vật lý có ưu thế hơn hẳn dung môi hóa học, áp suất càng cao, hiệu quả quá trình càng tăng
• Khả năng hấp thụ CO2 và H2S của mỗi chất hấp thụ khác nhau có thể dùng để hấp thụ chọn lọc
• Dung môi hấp thụ: propylene carbonate, dimethyl-tert-polyethyleneglycol (DMEPEG), N-N-methylpyrolidone,…
Ưu điểm:
Trang 6Có thể làm sạch hoàn toàn H2S, CO2, RSH, COS, CS2.
Không tạo bọt, không ăn mòn thiết bị
Nhiệt độ đóng băng thấp
Đầu tư và chi phí sản xuất thấp
Khuyết điểm:
Độ hòa tan tan hydrocarbon trong dung môi hấp thụ cao
Dung môi được sử dụng trong quá trình nàylà:
- Nước
- Methanol (Rektizol) - Methanol (Rektizol)
- Propilencacbonat (Flour)
- dd glicol
- Ete dimetil polietilenglicol
- N-metilpirrolidon
- Hỗn hợp dung dịch Dipa và sulfolan
Một số tính chất của dung môi vật lý
2.1.Dung môi: Nước và metanol
Nước:
- Nhiệt độhấp thụ30 – 350C
- Áp suất hấp thụ 1,5 – 2,5 MPa
Trang 7- Trung bình 100kg nước hấp thụ được 8kg khí axit.
Metanol:
- Nhiệt độhấp thụ-600C
- Áp suất hấp thụ0,4 MPa
- Trung bình 1g metanol hấp thụ được 600cm3khí axit
2.2 Dung môi Glicol
Dung dịch DEG:
- Nhiệt độ : 35-400C
- Áp suất : 7-8 Mpa
Sơ đồ công nghệ làm sạch và sấy khí bằng DEG
Trang 82.3 Quá trình FLOUR
Chất hấp thụ: propylene carbonate
Hình sơ đồ quy trình công nghệ Fluor
1 Tháp hấp thụ 2 Thiết bị phân li 3 Tuốc bin
Trang 94 Máy nén 5 Tuốc bin thủy lực 6 Bộ phận truyền động
I Khí ẩm II Khí acid III.Khí sạch IV Dung môi tái sinh
V Dung môi bão hòa VI Dung môi tuần hoàn
Khí nguyên liệu ( I )được cho vào tháp hấp thụ ở gần đáy tháp đồng thời dung môi ( IV )
được bơm từ đỉnh tháp xuống, quá trình hấp thụ sẽ tiến hành trong khoảng nhiệt độ từ 0÷60C Khí đi ra từ đỉnh tháp là khí sạch (ngọt) III Dung môi bão hòa (V) được bơm vào thiết bị phân li thứ nhất (2) ,ở thiết bị phân li thứ nhất một khí nguyên liệu được máy nén
đẩy dòng khí hoàn nguyên về dòng nguyên liệu ban đầu,phần tạp chất còn lại được đưa
qua thiết bị phân li thứ hai (2) Ở thiết bị này khí acid đi ra từ đỉnh tháp và được Tuốc -Bin bơm thải ra cùng với dòng khí acid của thiết bị phân li thứ ba (2) đi ra ngoài Phần
dung môi bão hòa tiếp tục được đua vào thiết bị phân li thứ 3 , tại đây thì khí acid đã
được phân li hoàn toàn và thải ra ngoài còn phần dung môi sạch (dung môi tái sinh) được
bơm trở lại tháp hấp thụ để tiến hành quá trình hấp thụ
Ưu-Nhược điểm
Khả năng hòa tan tốt H2S, CO2, COS, CS2, RSH và hydrocarbon
Có tác dụng ăn mòn yếu đối với thép carbon thường
Bền hóa học, áp súât hơi bão hòa thấp
Được áp dụng thuận lợi nhất khi khí có áp suất riêng phần tổng của khí chua > 0,4 MPa
Hấp thụ ở nhiệt độ thấp: 0÷-60C
Quá trình hòan nguyên chất hấp thụ được thực hiện bằng giảm từng bước áp súât
Độ mất mát chất hấp thụ: 16 g/1000 m3 khí nguyên liệu
Trang 102.4.Quá trình SELEXOL
Chất hấp thụ: dimethylether polyethyleneglycol (DMEPEG)
Tính chất hóa lý của DMEPEG
Nhiệt độ sôi, 0C 151
Phân tử lượng 280
Nhiệt độ nóng chảy, 0C 22-29
Độ nhớt ở 250C, Pa.s 5,8.10-3
Tỷ trọng ở 250C, kg/m3 1000
Áp suất hơi bão hòa ở 250C, Pa 1,33
Nhiệt dung ở 250C, kJ/kg.K 2,43
Ưu-Nhược điểm
Không độc, bền hóa học
Không gây ăn mòn
Dễ phân hủy khi làm sạch sinh học nước thải
Có độ chọn lọc cao đối với H2S: ở 200C và 0,1 MPa, độ hòa tan H2S cao gấp 10 lần
CO2
Được áp dụng để làm sạch khí có nồng độ H2S và CO2 trung bình và cao
Có thể làm sạch đến 97% H2S và 85% CO2
Trang 11 Được ứng dụng để làm sạch và sản xuất đồng thời S và CO2 thương phẩm.
Khả năng hòa tan hydrocarbon cao nên chỉ ứng dụng để làm sạch khí khô
Khả năng hòa tan của DMEPEG tăng dần:
• C2H6 < CO2 < C3H8 < C4H10 < COS < C5H12<
• < H2S < CH3SH < CS2 < C7H16 < H2O
Hiệu quả quá trình tăng khi tăng áp suất và hàm lượng H2S, CO2 trong nguyên liệu
Hàm lượng khí chua trong nguyên liệu có thể thay đổi rộng
Lọai được <50% CS2
Chi phí chất hấp thụ ~ 1 m3/1000 m3 khí
Điều kiện quá trình hấp thụ: 10 ÷ -150C; 6,8-7 MPa
Hòan nguyên chất hấp thụ bằng giảm áp từng bước
Chi phí sản xuất giảm 30%, chi phí đầu tư giảm 70% so với quá trình dùng MEA
Sơ đồ quy trình công nghệ
Trang 122.5 Quá trình PURIZOL
Chất hấp thụ: N-methylpyrolidon (NMP)
Tính chất hóa lý của NMP
Nhiệt độ sôi, 0C 275
Nhiệt độ nóng chảy, 0C 24
Độ nhớt ở 200C, Pa.s 1,87
Tỷ trọng ở 250C, kg/m3 1000
Áp suất hơi bão hòa ở 400C, Pa 133,3
Nhiệt dung ở 200C, kJ/kg.K 1,67
Ưu-Nhược điểm
Không độc, bền hóa học
Hòa tan tốt H2S, CO2, RSH và hydrocarbon
Không gây ăn mòn
Dễ phân hủy khi làm sạch sinh học nước thải
Có độ chọn lọc cao đối với H2S: ở 200C và 0,1 MPa, độ hòa tan H2S cao gấp 10 lần CO2
Có thể tạo bọt nếu trong hệ có hydrocarbon lỏng
Khả năng mất mát cao do có áp suất hơi bão hòa cao
Được sử dụng để làm sạch sâu và tinh H2S và CO2, tỷ lệ H2S:CO2 cao
Điều kiện hấp thụ: 0-150C, 5-7,5 MPa
Trang 13 Hòan nguyên chất hấp thụ bằng giảm áp từng bước.
Sơ đồ quy trình công nghệ
2.6 Quá trình Sulfinol (Dung môi tổ hợp)
Các dung môi tổ hợp được dùng là:
Dung dịch ankanolamin kết hợp với dd metanol, sulfonan, rượu thơm metanol, sulfonan, rượu thơm
Trong quá trình Sulfonol dd tổ hợp gồm: 60 - 65% sulfonan, 28 - 32%DIPA, 6% nước, và chất giảm nhiệt độ đông đặc
Sơ đồ công nghệ
Trang 14Ưu –nhược điểm
Sulfonol hòa tan tốt H2S, CO2, RSH,COS, CS2
Bền với nhiệt, áp suất hơi bão hòa thấp
Khả năng hấp thụ lớn hơn MEA gấp 2 lần và hấp thụ tốt khí axít ngay cả khi áp suất riêng phần của chúng nhỏ
Sự phân hủy ít hơn MEA từ 4-8 lần
Kết luận
Tóm lại qua bài thuyết trình cho ta biết được cách lựa chon quy trình và dung môi thích hợp để xử lí khí acid, làm sạch các thành phần không mong muốn của khí
