Lựa chọn và tối ưu hóa công nghệ tách CO2 tại giàn bằng phương pháp xử lý bằng màng cho các mỏ khí có hàm lượng CO2 cao

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT VÀ DẦU KHÍ

BỘ MÔN KHOAN VÀ KHAI THÁC DẦU KHÍ

-o0o -

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

LỰA CHỌN VÀ TỐI ƯU HÓA CÔNG NGHỆ TÁCH CO2 TẠI GIÀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BẰNG MÀNG CHO CÁC MỎ KHÍ CÓ HÀM LƯỢNG CO2 CAO

Trang 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Số: …… /ĐHBK-ĐT

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

KHOA : KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT & DẦU KHÍ

BỘ MÔN : KHOAN – KHAI THÁC DẦU KHÍ

NGÀNH : KHOAN – KHAI THÁC DẦU KHÍ LỚP : DC11KK

1 Đầu đề luận văn:

BẰNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BẰNG MÀNG CHO CÁC MỎ KHÍ CÓ

2 Nhiệm vụ của luận văn tốt nghiệp:

 Giới thiệu khái quát về nền công nghiệp khí của việt nam và thế giới, giải thích nguyên nhân tại sao phải tách (giảm nồng độ) khí CO2 trong khí tự nhiên

 Từ giới thiệu tổng quát về các phương pháp tách CO2 đến giới thiệu chi tiết công nghệ tách

CO2 bằng màng

 Nêu lên các lý thuyết chung trong tính toán, tính toán hàm lượng khí trước và sau khi qua màng

 Từ đặc điểm kỹ thuật của thiết bị, yêu cầu điều kiện kinh tế, đặc điểm riêng biệt ở giàn ta đưa

ra kết luận lựa chọn công nghệ màng để xử lý khí tại giàn là tối ưu nhất

3 Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 31/08/2015

4 Ngày hoàn thành luận văn: 28/12/2015

5 Họ tên người hướng dẫn:

- THS HOÀNG TRỌNG QUANG

-TS NGUYỄN HỮU HIẾU

Nội dung và yêu cầu LVTN đã thông qua Bộ môn Khoan – Khai Thác Dầu Khí thuộc Khoa Kỹ Thuật Địa Chất & Dầu Khí

Ngày…… tháng …… năm 20…

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHÍNH

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN

Người duyệt (chấm sơ bộ):

Đơn vị:

Ngày bảo vệ:

Điểm tổng kết:

Nơi lưu trữ luận văn:

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, nơi được sinh ra, dưỡng dục trong vòng tay yêu thương ấm áp Gia đình luôn là điểm tựa vững chắc và là nguồn động viên lớn lao cho tác giả vượt qua mọi khó khăn trong cuộc sống

Giờ đây khi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp và bước sang hành trình cuối trong quãng đời sinh viên, tác giả muốn bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến tất cả các thầy cô đã dìu dắt, dạy dỗ, giúp tác giả có được như ngày hôm nay Luận văn không thể hoàn thành nếu

không có sự dìu dắt tận tình của thầy hướng dẫn Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy HOÀNG

TRỌNG QUANG, dù rất bận với công việc nhưng thầy cũng đã dành thời gian quý báu để

hướng dẫn sinh viên chu đáo Đã có những lúc tác giả gặp khó khăn nhưng thầy đã tận tình chỉ bảo, cung cấp tài liệu, định hướng giải quyết vấn đề Tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy đã đồng hành cùng tác giả trong những năm qua, người đã luôn luôn lắng nghe, chia sẽ những niềm vui nỗi buồn đối với sinh viên

Bên cạnh đó, một nhân tố luôn luôn ở bên cạnh, thúc giục và động viên tác giả những lúc khó khăn nhất, xin cảm ơn các bạn trong lớp đã động viên và hỗ trợ mình trong suốt thời gian qua

Và xin chân thành cảm ơn:

- Thầy Nguyễn Hữu Hiếu - Hướng dẫn chính luận văn (Khoa Kỹ Thuật Hóa ĐHBK.HCM)

Học Các quý thầy cô trong Bộ môn Khoan và Khai Thác Dầu khí – ĐHBK TPHCM

- Gia đình và ban bè

Một lần nữa tác giả xin gởi lời cảm ơn chân thành và nồng nhiệt nhất đến những người đã giúp

đỡ tác giả rất nhiều trong thời gian qua Chúc mọi điều tốt đẹp và thành công

TP.HCM ngày tháng năm 2015

Tác giả

SV Vũ Xuân Hiêp

Trang 4

TÓM TẮT LUẬN VĂN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn giới thiệu tổng quan về nguồn khí thiên nhiên tại Việt Nam với các dự án khai thác ngày càng nhiều, cho thấy nhu cầu về nguồn khí càng lớn Đồng thời, luận văn cũng giới thiệu quy trình xử lý khí qua nhiều phương pháp khác nhau

Trình bày các phương pháp xử lý khí chua: hấp thụ, hấp phụ, đông lạnh, phương pháp màng Chỉ ra các tính chất đặc điểm, quy trình công nghệ và ưu, nhược điểm, phạm vi ứng dụng của từng phương pháp, đồng thời chọn lựa giới thiệu chi tiết phương pháp xử lý khí bằng công nghệ màng

Đưa ra một dữ liệu về một nguồn khí tại một mỏ có hàm lượng CO2 cao và yêu cầu xử lý ngay tại giàn Sau đó, đưa ra cơ sở lựa chọn phương pháp thích hợp Trong luận văn này, phương pháp được lựa chọn là phương pháp xử lý bằng màng Những lý thuyết tính toán về màng, về đường ống vận chuyển được nêu ra

Ngoài ra luận văn còn dùng số liệu để chạy HYSYS cho phương pháp xử lý khí bằng dung môi amine để so sánh

Từ những cơ sở lý thuyết ấy, đưa ra kết quả tính toán và nhận xét

Trang 5

MỤC LỤC

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH HÌNH ẢNH vii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU ix

PHẦN MỞ ĐẦU x

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: x

2 MỤC TIÊU LUẬN VĂN: x

3 NỘI DUNG LUẬN VĂN: x

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: xi

5 TỔNG QUAN NỘI DUNG CÁC CHƯƠNG CỦA LUẬN VĂN: xi

6 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI: xii

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CÔNG NGHIỆP KHÍ VIỆT NAM 1

1.1 Tổng quan về ngành công nghiệp khí tại Việt Nam:[10] 1

1.2 Tổng quan về chế biến và sử dụng khí thiên nhiên ở Việt Nam [4] 3

1.3 Tình hình khai thác khí có chứa CO2 ở Việt Nam và quy trình chế biến khí thiên nhiên: [5] 5

CHƯƠNG 2 : CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH KHÍ CO2 HIỆN NAY 11

2.1 Nguyên nhân tách khí CO2 : [3] 11

2.2 Các phương pháp tách CO2 phổ biến hiện nay : 12

2.2.1 Phương pháp hấp thụ: [3] 12

A Quá trình hấp thụ vật lý: 12

B Hấp thụ hóa học 14

C Hấp thụ hỗn hợp vật lý – hóa học 17

2.2.1 Phương pháp hấp phụ [3] 18

Trang 6

MỤC LỤC

2.2.2 Phương pháp đông lạnh 19

2.2.3 Phương pháp màng bán thấm: [5] 20

2.2.4 Phương pháp Hybrid 22

CHƯƠNG 3 : GIỚI THIỆU CHI TIẾT CÔNG NGHỆ TÁCH CO2 BẰNG MÀNG 24

1 Khái niệm 24

2 Vật liệu màng 24

3 Cấu trúc màng 24

3.1 Các loại màng phổ biến dùng hiện nay: 25

A Màng Polysulfone (PS) 25

B Màng Polyethersulfone (PES) 26

C Màng Cellulose Acetate (CA) 27

D Màng Polyamide (PA) 28

E Màng Polyimide (PI) 29

3.2 Các dạng module màng dùng để tách CO2 30

3.3 Tính thấm của màng: 32

3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình màng 34

A Sơ đồ bố trí dòng chảy 34

B Lưu lượng dòng chảy 36

C Nhiệt độ vận hành 37

D Áp suất khí nguyên liệu 37

E Áp suất thấm 38

F Lượng CO2 loại bỏ 39

3.5 Tiền xử lý trước khí vào màng 39

CHƯƠNG 4 : CƠ SỞ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CO2 VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN, KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ SO SÁNH VỚI KẾT QUẢ VỚI DÙNG PHẦN MỀM HYSYS CHO PHƯƠNG PHÁP TÁCH CO2 BẰNG DUNG MÔI AMINE TƯƠNG ỨNG……… 40

4.1 Lý thuyết tính toán phương pháp xử lý bằng màng :[9] 40

Trang 7

MỤC LỤC

4.1.1 Loại mô hình dòng chảy:[9] 40

A Mô hình dòng chảy hỗn hợp (complete-mixing model) 40

B Mô hình dòng chảy ngang (cross-flow model)[9] 42

C Mô hình dòng chảy ngược (countercurrent-flow model) [9] 44

4.2 Tính toán quá trình màng trên giàn: 47

4.2.1 Mô hình thiết kế 47

a: Hollow Fiber Membrane b: Spiral Wound Membrane 47

4.2.2 Kết quả tính toán màng 50

A Tính toán màng: 50

B Các yếu tố ảnh hưởng lên hiệu suất tách khí qua màng: 57

4.3 Kết quả tính toán dùng phần mềm HYSYS cho phương pháp xử lý CO2 bằng dung môi AMINE : 62

4.3.1 Giới thiệu về phần mềm HYSYS : 62

4.3.2 Mô phỏng quá trình làm ngọt CO2 bằng HYSYS: 63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC 73

Trang 8

DANH SÁCH

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Hệ thống đường ống dẫn khí phía Nam [10] 3

Hình 1.2: Hệ thống thu gom xử lý dầu khí [1] 10

Hình 2.1: Các phương pháp sử dụng để tách CO2 12

Hình 2.2: Sơ đồ của phương pháp hấp phụ vật lý điển hình [3] 13

Hình 2.3: Sơ đồ công nghệ hấp thụ amine [3] 16

Hình 2.4: Sơ đồ công nghệ hấp thụ bằng K2CO3 [3] 17

Hình 2.5: Sơ đồ hấp phụ bằng rây phân tử [8] 19

Hình 2.6: Các thành phần của một màng bán thấm [11] 20

Hình 2.7: Sơ đồ xử lý khí sơ bộ trước khi vào màng [11] 20

Hình 2.8: Quy trình 1 – cấp [11] 21

Hình 2.9: Quy trình 1- bước (2-cấp) [11] 21

Hình 2.10: Quy trình 2- bước (2-cấp) [11] 21

Hình 2.11: Kích thước của phân tử CH4 và CO2 [11] 22

Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống kết hợp màng và amine [3] 22

Hình 3.1: Cấu trúc phân tử của Polysulfone [3] 25

Hình 3.2: Cấu trúc màng Polysulfone [3] 25

Hình 3.3: Cấu trúc phân tử của Polyethersulfone [3] 26

Hình 3.4: Cấu trúc màng Polyethersulfone [3] 26

Hình 3.5: Cấu trúc phân tử của CA [3] 27

Hình 3.6: Cấu trúc màng CA [3] 27

Hình 3.7: Cấu trúc phân tử của PA [3] 28

Hình 3.8: Cấu trúc màng PA [3] 28

Hình 3.9: Cấu trúc phân tử của PI [3] 29

Hình 3.10: Cấu trúc màng PI [3] 29

Hình 3.11: Các dạng modun của màng bán thấm [11] 30

Hình 3.12: Cơ chế tách khí CO2 sử dụng màng chất lỏng ion [3] 31

Hình 3.13: Tốc độ thấm của một số phần tử 33

Hình 3.14: Bố trí dòng trong công nghệ màng lọc với nguyên liệu đầu vào gồm có một dòng 34

Hình 3.15: Hệ thống thu hồi hydrocacbon giai đoạn 2 35

Hình 3.16: Tỷ lệ thu hồi hydrocacbon ứng với độ loại bỏ CO2 36

Hình 3.17: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến diện tích màng và hydrocacbon thất thoát 37

Hình 3.18: Ảnh hưởng của áp suất đến diện tích màng lọc và HC thất thoát 38

Trang 9

DANH SÁCH

Hình 3.19: Ảnh hưởng của diện tích màng đến áp suất thẩm thấu và hydrocacbon thất thoát 38

Hình 3.20: Ảnh hưởng của hàm lượng CO2 đến diện tích màng và sự thu hồi HC 39

Hình 4.1: Mô hình dòng chảy hỗn hợp [9] 40

Hình 4.2: Mô hình dòng chảy ngang [9] 42

Hình 4.3: Mô hình dòng chảy ngược [9] 44

Hình 4.4: Lựa chọn modun cho màng tách [9] 47

Hình 4.5: Các kiểu dòng chảy lý tưởng trong bình tách màng [9] 47

Hình 4.6: Hiệu quả tách CO2 của từng giai đoạn [3] 48

Hình 4.7: Đồ thị tính hệ số diện tích màng cấp 1 55

Hình 4.8: Đồ thị tính hệ số diện tích màng cấp 2 56

Hình 4.9:Ảnh hưởng của áp suất thấm lên diện tích màng tách 58

Hình 4.10: Ảnh hưởng của áp suất thấm lên tổn thất CH4 58

Hình 4.11: Ảnh hưởng của áp suất thấm lên hiệu suất tách CO2 59

Hình 4.12: Ảnh hưởng của áp suất dòng nguyên liệu lên diện tích màng 59

Hình 4.13: Ảnh hưởng của áp suất dòng nguyên liệu lên hiệu suất tách 60

Hình 4.14: Ảnh hưởng của áp suất dòng nguyên liệu lên tổn thất CH4 60

Hình 4.15: Ảnh hưởng của phần trăm CO2 giữ lại lên diện tích màng 61

Hình 4.16: Ảnh hưởng của phần trăm CO2 giữ lại lên hiệu suất tách 61

Hình 4.17: Ảnh hưởng của phần trăm CO2 giữ lại lên tổn thất CH4 62

Hình 4.18: Sơ đồ mô phỏng hệ thống là ngọt bằng dung môi amine 64

Hình 4.19: Dòng khí ngọt ra khỏi tháp hấp thụ 65

Hình 4.20: So sánh kích cỡ của hệ thống màng thấm và amine [6] 69

Trang 10

DANH SÁCH

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 : Thông tin các khu vực mỏ có chứa CO2 ở Miền Bắc [3] 6

Bảng 1-2: Thông tin các khu vực mỏ có chứa CO2 ở Miền Trung [3] 7

Bảng 1-3: Thông tin các khu vực có chứa CO2 ở Miền Nam [3] 8

Bảng 2-1: So sánh giũa dung môi vật lý và dung môi hóa học [3] 18

Bảng 3-1: Cho thấy sự lựa chọn các thông số cho từng modun cua màng bán thấm [3] 31

Bảng 4-1: Chú thích tính toán cho quy trình màng [9] 46

Bảng 4-2 : Số liệu dòng khí đầu vào của luận văn 49

Bảng 4-3: Tính toán màng tách khí cấp 1 52

Bảng 4-4: Tính toán màng tách khí cấp 2 53

Bảng 4-5: Bảng tính diện tích màng cấp 1 55

Bảng 4-6: Bảng tính diện tích màng cấp 2 56

Bảng 4-7: Tính toán lại phần trăm sau khi qua 2 cấp hệ thống màng 57

Bảng 4-8: So sánh 2 phương pháp 66

Bảng 4-9: So sánh tiện ích để chọn lựa công nghệ Amine và công nghệ màng 67

Bảng 4-10: Bảng khảo sát các thông số của màng 73

Trang 11

PHẦN MỞ ĐẦU

PHẦN MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI:

Dầu khí đã trở thành một nguồn nguyên liệu có mặt hầu như trong tất cả các ngành nghề,

cả công nghiệp lẫn nông nghiệp, và năng lượng… Ngoài khai thác và xử lý dầu thì tầm quan trọng của việc khai thác và xử lý khí đã trở nên phổ biến và cấp thiết hơn trong ngành dầu khí hiện nay

Nhằm đáp ứng những nhu cầu đó, ngành công nghiệp chế biến khí đã ra đời từ lâu nhằm mục đích loại bỏ những tạp chất không cần thiết và gây hại trong khí khai thác được từ mỏ, để chúng trở thành một nguồn khí thương phẩm nhằm đáp ứng nhu cầu của thị trường tiêu dùng Một trong những trở ngại cho việc vận chuyển khí về bờ, cũng như làm giảm giá trị thương mại chất lượng của khí là vấn đề khí có lẫn tạp chất CO2 vượt quá tiêu chuẩn cho phép Vậy việc chế biến làm sao để giảm , khống chế lượng CO2 trong khí xuống mức cho phép là một yêu cầu cấp thiết hiện nay trong ngành công nghiệp chế biến khí, và nó cũng chính là một trong những trở ngại trong ngành dầu khí hiện nay Đó chính là lý do tại sao tác giả lựa chọn đề tài

luận văn là: ”LỰA CHỌN VÀ TỐI ƯU HÓA CÔNG NGHỆ TÁCH CO 2 TẠI GIÀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BẰNG MÀNG CHO CÁC MỎ KHÍ CÓ HÀM LƯỢNG

CO 2 CAO ”

2 MỤC TIÊU LUẬN VĂN:

 Lựa chọn công nghệ tách phù hợp và tính toán thiết kế quy trình tách CO2 cho khí khai thác chứa nồng độ CO2 cao hơn tiêu chuẩn cho phép nhằm năng cao hiệu quả kinh tế của khí thành phẩm cũng như tăng hiệu suất trong công tác chế biến

3 NỘI DUNG LUẬN VĂN:

 Nêu khái quát về nền công nghiệp khai thác và chế biến khí ở Việt Nam trong hiện tại

và tương lai

 Tìm hiểu các công nghệ tách CO2 đang được áp dụng hiện nay và từ đó lựa chọn công nghệ tách CO2 phù hợp đối với tính chất nguồn khí đang khảo sát cũng như điều kiện kinh tế

Trang 12

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

 Từ các tài liệu thu thập được ta sẽ hệ thống hóa nền tảng lý thuyết, dựa vài các công thức thực nghiệm để hiểu thêm về bản chất cũng như ảnh hưởng của các thông số quan trọng trong việc tách CO2

 Dựa vào các số liệu của nguồn khí xét trong luận văn, ta lựa chọc công nghệ tách CO2 phù hợp, từ đó ta tiến tính toán các thông số quan trọng trong công nghệ tách

CO2 mà ta đã chọn

 Mô phỏng kết quả nghiên cứu tính toán bằng EXCEL

5 TỔNG QUAN NỘI DUNG CÁC CHƯƠNG CỦA LUẬN VĂN:

CHƯƠNG 1: Tổng quan về ngành công nghiệp khí

Chương này nêu tổng quan về ngành công nghiệp khí hiện nay, đặc biệt là tình hình khai thác khí của các mỏ khí có chứa CO2 Trình bày tổng quan quy trình thu gom, xử lý và vận chuyển khí tử mỏ đến các nhà máy

CHƯƠNG 2: Giới thiệu các phương pháp tách khí CO 2 hiện nay

Giải thích nguyên nhân tại sao phải tách CO2 và giới thiệu các phương pháp tách khí CO2 phổ biến hiện nay So sánh ưu nhược điểm của các phương pháp qua đó lựa chọn phương pháp tách phù hợp với từng điều kiện tại giàn đang xét

CHƯƠNG 3: Giới thiệu chi tiết về công nghệ tách CO 2 băng màng

Giới thiệu chi tiết công nghệ màng về tính thấm, vật liệu và các yếu tố ảnh hưởng Tiến hành xây dựng sơ đồ, cơ sở lý thuyết tính toán cho hệ thống tách

CHƯƠNG 4: Cơ sở lựa chọn phương pháp xử lý CO 2 và lý thuyết tính toán, kết quả tính toán và so sánh kết quả với dùng phần mềm HYSYS cho phương pháp tách CO 2 bằng dung môi amine tương ứng

Mô phỏng tính toán dòng khí đầu ra và hiệu suất tách, tổn thất CH4 cho công nghệ màngbằng EXCEL

Dùng thông số khí đầu vào để chạy phần mềm HYSYS cho phương pháp xử lý dùng dung môi amine Từ đó rút ra nhận xét ưu nhược điểm của 2 phương pháp Và kết luận vì sao phương pháp tách CO2 bằng màng là tối ưu cho điều kiện tại giàn mà luận văn đang xét

Trang 13

Kết luận và kiến nghị: rút ra kết luận và các hướng nghiên cứu phát triễn về sau

6 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI:

Trong quá trình tìm hiểu đề tài, tác giả đã sử dụng một số báo cáo và công trình nghiên cứu,

cụ thể là các tài liệu sau:

 Luận văn “ công nghệ tách CO 2 cho các mỏ ở thềm lục địa VIỆT NAM “, Nguyễn Ngọc

Quang- khóa 2009 Luận văn này đã nghiên cứu hệ thống xử lý CO2 bằng màng lọc, ứng dụng cho các mỏ ở thềm lục địa VIỆT NAM

 Luận văn “ Tìm hiểu công nghệ tách CO 2 và mô phỏng bằng phần mềm HYSYS”, Hồ

Thanh Tuyền-khóa 2008 Trong luận văn này đã nghiên cứu công nghệ tách CO2 bằng amine và mô phỏng hệ thống tách bằng phần mềm HYSYS

 ThS Hoàng Trọng Quang, ThS Hà Quốc Việt Giáo trình công nghệ khí Đại Học Bách

Petroleum Engineering , Kurdistan Region-Irad

 Research Report “Membrane Separation Process”, Professor Xijun Hu -2010, Hong

Kong University of Science and Technology

 Research Report “Gas Sweetening Part-1”, Dr Mahmood Moshfeghian -2014, John M

Campbell & Company

 Resrearch report” Membrane Sepatation Process”, Mrs Hafiza Binti Shukor,2011,

BIOSEPARATION ENGINEERING

 SPE paper” CO2 Rich Natural Gas Conditioning Technologies: comparision study”,

O.Frarges, S Frankie, M.Linicus and P Terren, Air Liquide Global E&C Solutions 2014: các tác giả phân tích ưu nhược điểm của 3 phương pháp thông dụng dùng để tách

CO2 , xem xét 1 nguồn khí tự nhiên cơ bản ở khu vực Đông Nam Á rồi chọn phương

pháp tối ưu để xử lý và tính toán

Trang 14

 SPE paper” Improved Polymer Membranes for Sour Gas Fitration and Separation”, G.george, N.Bhoria, and V Mittal, Petroleum Instile 2015: các tác giả phân tích ưu nhược của các loại vật liệu màng phổ biến hiện nay về đặc tính kỹ thuật, hiệu quả về

kinh tế để cải thiện, đưa ra lựa chọn màng tối ưu

 SPE paper” Evaluation of Membrane Processes for Acid Gas Treatment”,

 J Jahn, W.A.P Van Den Bos, L.J.P Van Den Broeke, TNO, Netherland 2012: các tác giả phân tích và đưa ra đánh giá quá trình xử lý khí chua bằng công nghệ màng Qua đó các tác giả có so sánh xử lý công nghệ màng với làm ngọt khí CO2 bằng dung môi amine Dienthanolamine (DEA), và đưa ra kết luận các ưu -nhược điểm của từng

phương pháp xử lý khí chua trong quá trình xử lý khí thiên nhiên

Trang 15

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CÔNG NGHIỆP KHÍ VIỆT NAM

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CÔNG NGHIỆP KHÍ

VIỆT NAM

1.1 Tổng quan về ngành công nghiệp khí tại Việt Nam: [10]

Từ tháng 12 năm 1998, nhà máy xử lý khí Dinh Cố, nhà máy xử lý khí đầu tiên của nước ta đã chính thức đi vào hoạt động, cung cấp lượng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG phục vụ cho công nghiệp

và dân dụng

Quá trình phát triển đã không gặp ít khó khăn, nhưng cho đến nay thì nền công nghiệp khí của Việt Nam đã thực sự đi vào giai đoạn phát triển rất mạnh mẽ Sau nhà máy xử lý khí Dinh Cố

là các dự án Khí – Điện – Đạm số I ở Vũng Tàu, dự án Khí – Điện – Đạm số II ở Cà Mau đã

và đang triển khai thực hiện, nhằm sử dụng hiệu quả nguồn nguyên liệu khí thiên nhiên và khí đồng hành của đất nước Ngành công nghiệp dầu khí nói chung và ngành công nghiệp chế biến khí Việt Nam nói riêng, dù còn rất non trẻ và gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là vốn đầu tiên, kỹ thuật công nghệ nhưng nó cũng đã đóng góp một phần đáng kể trong công cuộc xây dựng đất nước

Trước sự phát triển của nền công nghiệp khí và nhu cầu ngày càng cao tại Việt Nam, PetroVietnam đã và đang triển khai hàng loạt các dự án khí với quy mô lớn nhằm không những đáp ứng nhu cầu khí cho điện mà còn đáp ứng các nhu cầu khí cho công nghiệp hóa chất, phân bón, giao thông vận tải, các hộ công nghiệp và sinh hoạt dân dụng

DỰ ÁN KHÍ ĐANG VẬN HÀNH:

 Hệ thống đường ống dẫn khí bể Cửu Long

Hệ thống đường ống dẫn khí ở bể Cửu Long vào bờ với công suất vận chuyển khoảng 2 tỷ m3khí/năm, hiện đang cung cấp khoảng 1,1 tỷ m3 khí/năm cho các hộ tiêu thụ

 Hệ thống đường ống Nam Côn Sơn

Hệ thống này đã được đưa vào vận hành từ năm 2003 với công suất vận chuyển khoảng 7 tỷ m3

khí/năm Hệ thống bao gồm: khoảng 360km đường ống biển, gần 40km đường ống trên bờ, trạm tiếp nhận và xử lý khí Dinh Cố và trạm phân phối khí Phú Mỹ Hệ thống khí Nam Côn Sơn hiện đang vận chuyển và xử lý khí từ Lô 06.1 và Lô 11.2 để cung cấp cho các nhà máy điện và các hộ tiêu thụ tại khu vực Phú Mỹ

 Hệ thống đường ống Phú Mỹ - Nhơn Trạch

Hệ thống đường ống được đưa vào vận hành năm từ năm 2008 với công suất vận chuyển khoảng

2 tỷ m3 khí/năm nhằm cung cấp khí cho các nhà máy điện và các khu công nghiệp dọc theo

Trang 16

tuyến ống, đồng thời phát triển thị trường tiêu thụ khí ở TP.HCM trong tương lai cũng như phục

vụ việc kết nối với khu vực Tây Nam Bộ qua đường ống dẫn khí kết nối Đông – Tây Nam Bộ

 Hệ thống đường ống dẫn khí thấp áp Phú Mỹ - Mỹ Xuân - Gò Dầu

Với công suất vận chuyển 1 tỷ m3 khí/năm, hệ thống đường ống vận chuyển khí Bạch Hổ và khí Nam Côn Sơn từ trạm phân phối khí Phú Mỹ (GDS) và trung tâm phân phối khí Phú Mỹ (GDC) cung cấp cho các hộ tiêu thụ thuộc các khu công nghiệp Phú Mỹ - Mỹ Xuân - Gò Dầu

Hệ thống đã được vận hành chính thức từ năm 2003

 Hệ thống đường ống dẫn khí PM3 - Cà Mau

Hệ thống đường ống có công suất vận chuyển khoảng 2 tỷ m3 khí/năm, vận chuyển khí từ các khu vực PM3 (thuộc vùng biển chồng lấn giữa Việt Nam và Malaysia) và 46 Cái Nước về Cà Mau nhằm cung cấp khí cho cụm khí điện đạm Cà Mau Hệ thống hoàn thành và đưa vào vận hành tháng 5/2007

DỰ ÁN KHÍ ĐANG TRIỂN KHAI

 Hệ thống đường ống khí Lô B - Ô Môn

Hệ thống đường ống có công suất vận chuyển khoảng 18.3 triệu m3 khí/ngày (6.4 tỷ m3/năm), cung cấp khí cho cụm khí điện đạm Cà Mau và các nhà máy điện tại Ô Môn, Cần Thơ Dự án

dự kiến hoàn thành vào năm 2015

 Dự án đường ống dẫn khí Nam Côn Sơn 2

Hệ thống đường ống vận chuyển 2 pha có công suất thiết kế 18,4 triệu m3 khí và 1.320 tấn condensate/ngày được xây dựng nhằm vận chuyển khí từ các mỏ Hải Thạch – Mộc Tinh (thuộc

Lô 05-2 & 05-3), mỏ Thiên Ưng – Mãng Cầu (thuộc Lô 04-3), các mỏ khí khác của Bể Nam Côn Sơn và Bể Cửu Long vào bờ để cung cấp khí cho các hộ tiêu thụ tại khu vực miền Đông Nam Bộ Dự kiến hoàn thành vào năm 2015

 Dự án nhà máy xử lý khí Cà Mau

Dự án nhằm mục đích khai thác và sử dụng tối đa nguồn khí khu vực Tây Nam Bộ từ các mỏ:

Lô PM3 CAA, Lô 46-CN, Lô B, 48/95, 52/97; thu hồi các sản phẩm có giá trị cao hơn; vận hành hiệu quả nguồn khí PM3-Cà Mau và Lô B – Ô Môn; tăng khả năng thu hồi sớm lượng 5.1

Trang 17

tỷ m3 khí Petronas đã nhận hộ PetroVietnam từ năm 2003 Dự án dự kiến hoàn thành vào năm

2015

 Dự án nhập khẩu khí

Với mục tiêu đảm bảo lượng khí đang cung cấp cho các hộ tiêu thụ, PetroVietnam hiện đang triển khai dự án kho chứa và cảng nhập LNG

Hình 1.1: Hệ thống đường ống dẫn khí phía Nam [10]

1.2 Tổng quan về chế biến và sử dụng khí thiên nhiên ở Việt Nam [4]

Cho đến hiện nay nước ta đang khai thác 6 mỏ dầu và 1 mỏ khí, hình thành 4 cụm khai thác dầu khí quan trọng:

 Cụm 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 1981 với trên 450 triệu m3 phục vụ cho ngành công nghiệp địa phương Với các phát hiện mới trong khu vực này, đây là cơ sở nguyên liệu cho công nghiệp khí ở các tỉnh phía Bắc

 Cụm mỏ thứ 2 thuộc bể Cửu Long, gồm 4 chuỗi dầu mỏ: Bạch Hổ, Rồng, Rạng Đông,

Ru Bi, và là cụm quan trong nhất hiện nay, cung cấp trên 96% sản lượng dầu toàn quốc

Trang 18

Hiện nay ở mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng đã có 21 giàn khai thác lớn nhỏ đang hoạt động với hơn

100 giếng khoan, khai thác và bơm ép Khí đồng hành từ đó được thu gom, xử lý tại các giàn nén khí để cung cấp trở lại cho các giếng khai thác bằng phương pháp gaslift và đưa vào bờ bằng đường ống dài 110km

 Tháng 4/1995, cung cấp 1 triệu m3/ngày cho nhà máy điện Bà Rịa

 Năm 1997 tăng lên 2 triệu, rồi 3 triệu m3/ngày cung cấp cho nhà máy Phú Mỹ 2.1 và Phú Mỹ 2.1 mở rộng

 Tháng 10/1998, nhà máy xử lý khí Dinh Cố đạt mức thiết kế 4.2 triệu m3/ngày

 Tháng 12/1998, bắt đầu sản xuất LGN Hiện nay mỗi ngày nhà máy Dinh Cố thu gom, nén xử lý đạt mức 4.6 đến 4.7 m3/ngày (khoảng 1.5 tỷ m3/năm) để sản xuất 800 tấn LGN, 350 tấn condensate

Đồng thời khu vực này cung đã và đang nghiên cứu tăng công suất chung của hệ thống trên 2

tỷ m3/năm

 Cụm mỏ thứ 3 ở bể Nam Côn Sơn gồm mỏ dầu Đại Hùng đang khai thác và các mỏ khí

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

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

Riêng mỏ Lan Tây–Lan Đỏ với trữ lượng xác minh là 58 tỷ m3 khí sẽ cung cấp ổn định lâu dài

ở mức 2.7 tỷ m3 khi/năm Trong vài năm tới đây, khu vực này sẽ là cụm khai thác và cung cấp khí lớn nhất Việt Nam, đảm bảo cung cấp 5 đến 6 tỷ m3 khí/năm

Theo dự kiến của PetroVietnam, trong khoảng từ 2003 đến 2010, cụm mỏ dầu khí ở bể Cửu Long và Nam Côn Sơn có thể cung cấp tử 6 đến 8 m3 khí/năm sẽ là cơ sở nguyên liệu cho ngành công nghiệp dầu khí ở Bà Rịa – Vũng Tàu và Dung Quất

 Cụm mỏ thứ 4 tại thềm lục địa Tây Nam bao gồm mỏ Bunga Raya Kekwa – Cái Nước đang khai thác dầu, mỏ Bunga Orkid, Bunga Raya tại khu vực thỏa thuận thương mại Việt Nam – Malaysia sẽ là khu khai thác và cung cấp khí lớn thứ 2 và sẽ là cơ sở đảm bảo cho sự phát triển khu công nghiệp dầu khí ở Cà Mau – Cần Thơ

- Lô PM3-3-CAA đã bắt đầu khai thác dầu từ tháng 8/1997 Kế hoạch phát triển khí và các điều kiện thương mại đã thỏa thuận, cho phép hy vọng cho việc khai thác khí sẽ bắt đầu từ cuối năm 2003 và sản lượng khai thác 2.5 tỷ m3 khí/năm cho hai phía trong thời gian ít nhất từ 15 đến 17 năm, thậm chí có thể tới 25 đến 30 năm Vì ngoài phần trữ

Trang 19

lượng đã phát minh là 47 tỷ m3 khí còn phần tiềm năng (khoảng 60 tỷ m3 khí) có thể được xác minh trong những năm tới

- Các lô 46, 50, 51 liền kề đã khoan 11 giếng thăm dò, trong đó có 8 giếng phát hiện dầu, đặc biệt là khí Nếu có giải pháp thích hợp, giải quyết khó khăn (mỏ nhỏ, nhiều CO2,…)

lô 46 với trữ lượng 15 – 20 tỷ m3 khí có thể cung cấp khoảng 1 tỷ m3 khí/năm

- Lô B+48/95+52/97 đã giao thầu cho UNOCAL được đánh giá có thể đạt tới 160 m3 khí,

hy vọng đảm bảo cung cấp dài hạn 2- 5 tỷ m3 khí /năm

Với tiềm năng về khí khá phong phú như vậy, nước ta có điều kiện phát triển công nghiệp dầu khí trên toàn lãnh thổ Khai thác và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên thiên nhiên quý này, trong tương lai ngành công nghiệp dầu khí sẽ là một ngành công nghiệp phát triển mạnh, đóng góp đáng kể vào sự nghiệp phát triển của đất nước

1.3 Tình hình khai thác khí có chứa CO2 ở Việt Nam và quy trình chế biến khí thiên nhiên: [5]

Theo báo cáo nghiên cứu của PVEP cuối năm 2011, tình hình khai thác khí có chứa CO2 ở miền Bắc, miền Trung, và miền Nam của nước ta có thể được tóm tắt như sau:

 Miền Bắc: Hàm lượng CO2 trong khí khá cao, chủ yếu ở vùng mỏ Bạch Long Bảng 1.1 cho biết hàm lượng CO2 ở các mỏ khí ở khu vực phía Bắc

 Miền Trung: Khu vực này có hàm lượng CO2 trong khí rất cao, đặc biệt là mỏ Cá Voi Xanh và Rùa Biển Hiện nay mỏ Cá Voi Xanh đang được nghiên cứu, lập kế hoạch khai thác Bảng 1.2 cho biết hàm lượng CO2 hàm lượng trung bình khí CO2 ở các mỏ khu vực miền Trung

 Miền Nam: Hàm lượng CO2 trong khí cũng rất đáng được chú ý Bảng 1.3 cho biết hàm lượng trung bình khí CO2 ở các mỏ khí khu vực phía Nam

 Từ những số liệu trên, ta có thể thấy các mỏ khí ở Việt Nam có hàm lượng CO2 khá cao, đặc biệt tập trung ở các mỏ khu vực miền Bắc và miền Trung Vì vậy, việc nghiên cứu tìm

ra phương pháp tách CO2 ra khỏi dòng khí là một vấn đề rất quan trọng trong tương lai

Trang 20

Bảng 1-1 : Thông tin các khu vực mỏ có chứa CO2 ở Miền Bắc [3]

Trữ lượng CO2 (Bcf)

GHP 2P (P50)

Trữ lượng tiềm năng

Miền Bắc

102-106 Petronas

103-107 Bạch Đằng

Trang 21

Bảng 1-2: Thông tin các khu vực mỏ có chứa CO2 ở Miền Trung [3]

Khu

GHP 2P (P50)

Trang 22

Bảng 1-3: Thông tin các khu vực có chứa CO2 ở Miền Nam [3]

GHP 2P (P50)

Miền Nam

Lô 46B2- Trường Sơn JOC

Cụm mỏ Phía Bắc

Tổng Miền Nam

12977

Khí thiên nhiên là một dạng năng lượng hóa thạch không màu, không mùi, thành phần chủ yếu

là metan, thành phần phụ gồm Etan, Propan, Butan, CO2, H2S…

Khí thiên nhiên cháy trong môi trường không khí và sinh nhiệt Tuỳ thuộc vào thành phần của hỗn hợp khí thiên nhiên mà giá trị nhiệt lượng khí cung cấp từ 700Btu/scf đến 1600Btu/scf

Trang 23

 Nguồn nhiên liệu và nguyên liệu lý tưởng cho:

 Sinh hoạt: nấu ăn, sưởi ấm, đun nước,…

 Công nghiệp: nhiên liệu và nguyên liệu cho các nhà máy, quá trình xử lý và chế biến thực thẩm, sấy khô,…

 Nguồn năng lượng: các nhà máy điện, tuabin

 Nhiên liệu cho các phương tiện vân chuyển: xe tải, xe bus

Khí thiên nhiên được hình thành từ sự phân hủy xác của động vật và thực vật và được giữ lại trong lỗ rỗng ở những tầng chứa sâu hoặc từ các mỏ khí than sâu hơn 3000ft (coal-bed methane) Khí thiên nhiên thường phân làm 03 loại:

 Khí đồng hành (associated gas) hoà tan trong dầu và khai thác cùng với dầu thô, được tách tại đầu giếng

 Khí không đồng hành (nonassociated gas) khai thác trực tiếp từ các vỉa khí

 Khí condensate: có hàm lượng HC lỏng cao khi áp suất và nhiệt độ giảm

Trang 24

Dòng khí từ module xử lý khí được vận chuyển tới module chế biến để tách các thành phần riêng biệt (thông thường là các khí hóa lỏng như Etan, Propan…), loại trừ các chất độc hại đến mức tối thiểu đạt tiêu chuẩn khí thương phẩm (như CO2, H2S, O2,…), thêm mùi cho khí thương phẩm…

Hình 1.2: Hệ thống thu gom xử lý dầu khí [1]

Quy trình xử lý khí trên giàn nén khí cơ bản 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, CO

Trang 25

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH KHÍ HIỆN NAY

ăn mòn đường ống còn phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và hàm lượng ẩm trong khí

 CO2 làm giảm nhiệt độ cháy của khí dẫn đến làm giảm giá trị kinh tế của khí khi đem bán làm chất đốt

 Làm tăng hàm lượng nước trong khí

 Để đạt tiêu chuẩn thành phần khí chua cho phép đầu vào của thiết bị

Tiêu chuẩn chất lượng của khí thiên nhiên [3]

 Tiêu chuẩn Nga: [ H2S]<=20 mg/m3 ; [RSH]<=36 mg/m3

 Tiêu chuẩn Mỹ: [CO2] <= 1-2%tt; [H2S] <=5,7mg/m3; [S] <=22-mg/m3…

 Theo tiêu chuẩn đường ống NACE: Hàm lượng CO2 không quá 2%

 Theo tiêu chuẩn đường ống NON–NACE: Hàm lượng CO2 khoảng từ 4- 6%

Trang 26

2.2 Các phương pháp tách CO2 phổ biến hiện nay :

2.2.1 Phương pháp hấp thụ: [3]

Hấp thụ là quá trình hút khí bằng dung môi, khí được hút gọi là chất bị hất thụ, dung môi hút còn gọi là dung môi hấp thụ, khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ Nguyên tắc của quá trình hấp thụ là cho dòng khí tiếp xúc với dòng dung môi trong tháp đĩa hoặc tháp đệm, khí thổi từ dưới lên, lỏng từ trên xuống và quá trình hấp thụ xảy ra

Tùy thuộc vào đặc điểm tương tác của các hợp chất này với dung môi – chất hấp thụ chúng hợp thành những nhóm sau: hóa học, vật lý và hỗn hợp

A Quá trình hấp thụ vật lý:

Phương pháp dựa vào nguyên lý hòa tan của khí acid vào các dung môi mà không có xảy phản ứng hóa học Đối với khí CO2, độ hòa tan CO2 vào dung môi phụ thuộc vào áp suất riêng phần của khí CO2 trong hỗn hợp và nhiệt độ của dòng khí dòng vào Quá trình tái sinh dung môi nhờ vào quá trình giảm áp

Áp suất riêng phần khí CO2 càng cao và nhiệt độ đầu vào càng thấp thì hòa tan CO2 càng thuận lợi

Hình 2.1: Các phương pháp sử dụng để tách CO2

Trang 27

Trong quá trình hấp thụ vật lý, dung môi được sử dụng phổ biến hiện nay là:

 Propylen Carbonate

 Dimenthylether Polyethylene Glycol

 N-Methyl Pyrrolidine

 Công nghệ hấp thụ vật lý phổ biến nhất là công nghệ Selexol

Yêu cầu đối với dung môi vật lý

 Áp suất hơi bão hòa tại nhiệt độ vận hành phải thấp để giảm thiểu sự mất mát dung môi

 Độ hòa tan của các cấu tử HC khí vào dung môi phải thấp

 Không bị phân hủy dưới điều kiện vận hành thông thường

 Không có phản ứng hóa học giữa dung môi với bất kỳ cấu tử nào trong dòng khí nguyên liệu

 Không ăn mòn kim loại nói chung

Hình 2.2: Sơ đồ của phương pháp hấp phụ vật lý điển hình [3]

Trang 28

Yêu cầu đối với quá trình hấp thụ vật lý

 Áp suất riêng phần của khí acid trong dòng khí nguyên liệu là 50 psi (345 kPa) hoặc cao

hơn

 Nồng độ hydrocacbon nặng trong nguyên liệu thấp

 Thích hợp khi cần loại một lượng lớn khí acid

 Loại bỏ chọn lọc H2S là bắt buộc

Ưu điểm:

 Gia tăng nhiệt độ của dung môi trong tháp hấp thụ thấp vì không có phản ứng hóa học sinh ra nhiệt

 Chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành thấp

 Các dung môi sử dụng không ăn mòn thiết bị, không độc hại, không sủi bọt nhiều chất

có nhiệt độ đông đặc thấp nên có thể áp dụng ở vùng có khí hậu lạnh

 Sử dụng dung môi có tính bazo yếu để phản ứng hóa học với khí acid dòng khí chua

 Động lực hấp thụ là chênh lệch áp suất riêng phần của khí acid trong pha khí và pha

lỏng

 Phản ứng thuận nghịch nên tái sinh dung môi bằng cách thay đổi điều kiện vận hành: t,

p

Trang 29

Dung môi hấp thụ thường được sử dụng là những dung dịch Ankanolamine như: Metyl Ethanol Amine (MEA), Di Ethanol Amine (DEA), Tri Ethanol Amine (TEA), Methyl Di Ethnol Amine (MDEA), Di Glycol Amine (DGA), dung dịch K2CO3 nóng…Các amin này có ái lực mạnh đối với khí axit nhờ vào tính kiềm của nó

 Chất hấp thụ và sản phẩm tương tác của chúng với các tạp chất chứa trong khí nguyên

liệu có thể tạo thành các hoạt chất có tính ăn mòn thiết bị cao

 Mức độ Mercaptan (RSH) và các hợp chất lưu huỳnh thấp

 Không làm sạch hoàn toàn H2S, CO2, RSH, COS và CS2

Trang 30

Hình 2.3: Sơ đồ công nghệ hấp thụ amine [3]

Hấp thụ hóa học bằng K 2 CO 3 nóng

 K2CO3 là muối kiềm, tồn tại dạng rắn ở nhiệt độ thường

 Hòa tan tốt trong nước, do đó ở dạng dung dịch với nước ở >60oC tương ứng với nồng

độ dung dịch là 30% wt

 Thường dùng K2CO3 nóng vì K2CO3 chỉ hấp thụ được ở nhiệt độ cao (110-120oC)

 Quá trình hấp thụ và tái sinh tương tự như dung dịch amine

 Có thể cải tiến hiệu quả quá trình hấp thụ K2CO3 truyền thống bằng cách thêm phụ gia

Trang 31

Hình 2.4: Sơ đồ công nghệ hấp thụ bằng K2CO3 [3]

Đặc trưng

 Hấp thụ và tái sinh ở cùng điều kiện nhiệt độ

 Khí đã tách khí ra khỏi tháp hấp thụ ở nhiệt độ cao

 Tạp chất RSH phải được loại bỏ trước

 Quá trình phù hợp với nguyên liệu chứa lượng lớn CO2

 Hợp chất KSH rất khó tái sinh, nên lượng lớn H2S và ít CO2 sẽ khó tái sinh dung dịch

 Công nghệ có vốn đầu tư và chi phí vận hành thấp

 Không thỏa mãn tiêu chuẩn kỹ thuật của sale gas, do đó nên cải thiện công nghệ bằng 2

Trang 32

Ưu điểm

 Có ưu điểm của quá trình hấp thụ vật lý và hóa học

 Làm sạch đến mức tinh CO2, H2S, RSH, COS, CS2

Nhược điểm

 Độ hòa tan Hydrocacbon trong dung môi hấp thụ cao

Bảng 2-1: So sánh giũa dung môi vật lý và dung môi hóa học [3]

2.2.2 Phương pháp hấp phụ [3]

Sự hấp phụ là quá trình hấp thụ các cấu tử khí acid từ hỗn hợp khí bằng các chất rắn, các quá trình loại bỏ bằng cách phản ứng hóa học hoặc bằng cách liên kết ion của các hạt rắn với khí acid

Thường sử dụng quá trình hấp phụ là các oxit sắt, oxit kẽm và sàng phân tử (Zeolite) Hấp phụ nói chung là một cấu trúc vi mô xốp có chọn lọc giữ lại các thành phần được tách ra cho đến khi sàng là bão hòa, với khí acid được lấy ra từ hệ thống tái sinh bởi khí nóng chảy ngược qua sàng

Trong số các quá trình hấp phụ đề cập ở trên chỉ có sàng phân tử là phù hợp hơn để loại bỏ đến lượng nhỏ nồng độ khí CO2 từ khí thiên nhiên Sàng sử dụng các tinh thể Zeolite tổng hợp rắn

để loại bỏ các khí tạp chất Cấu trúc tinh thể tạo ra một bề mặt tiếp xúc hoạt động lớn, các phần

tử khí phân cực như H2S và H2O bị giữ lại trên sàng Các phần tử không phân cực như hydrocacbon sẽ không bị giữ lại Mặc dù các phân tử CO2 không phân cực nhưng do cấu trúc nhỏ, nên phần tử CO2 sẽ bị mắc kẹt trong lỗ rỗng Do đó, quá trình chỉ áp dụng cho khí với nồng độ CO2 thấp

Trang 33

Hình 2.5: Sơ đồ hấp phụ bằng rây phân tử [8]

Ưu điểm

 Sàng phân tử không bị suy thoái cơ khí

 Các hoạt động của quá trình này là đơn giản, loại nước đồng thời loại bỏ khí và acid

 Quá trình này được giới hạn dòng khí nhỏ hoạt động ở áp suất vừa phải, hoạt động của

nó là không phù hợp với lưu thông liên tục do tiêu hao

 Các thiết kế của quá trình rất phức tạp

2.2.3 Phương pháp đông lạnh

Phương pháp chưng cất nhiệt độ thấp (tách đông lạnh hay còn gọi là làm lạnh sâu) là quy trình thương mại được sử dụng để hóa lỏng và làm sạch khí CO2 với độ tinh khiết tương đối cao (>90%) Khí được làm lạnh đến nhiệt độ thấp (<-73.3oC), CO2 bị đông lạnh, hóa lỏng và tách

ra

Ưu điểm

 Thích hợp với nguồn khí vào có nồng độ CO2 cao

 Tạo ra CO2 lỏng sẵn sàng cho vận chuyển bằng đường ống

 Năng lượng tốn cho quy trình cao, chi phí vận hành lớn

 Thiết bị xử lý có xu hướng hay bị tắc nghẽn

 Một số chất đông lạnh dễ cháy và độc hại (Acrtylene, Ethane…)

Trang 34

2.2.4 Phương pháp màng thấm: [5]

Màng

- Là một lớp bán thấm mỏng có khả năng tách chọn lọc các cấu tử trong hỗn hợp

Hình 2.6: Các thành phần của một màng bán thấm [11]

Nguyên tắc: Khi một hỗn hợp khí thấm qua màng, đầu tiên nó hòa tan ở áp suất cao của màng

sau đó khuếch tán qua vách màng và bốc hơi ở hai phía áp suất thấp Mỗi loại khí gặp một sức kháng khác nhau khi qua màng, phụ thuộc vào 2 yếu tố, đầu tiên là kích thước và hình dạng của các phân tử khí, thứ hai là mức độ tương tác phân tử giữa màng và khí đặc trưng cho độ hòa tan của phân tử khí trong màng tế bào.Trước khi vào màng, khí phải qua giai đoạn tiền xử lý

Các giai đoạn tách CO 2 bằng màng

Hình 2.7: Sơ đồ xử lý khí sơ bộ trước khi vào màng [11]

Trang 35

Hình 2.8: Quy trình 1 – cấp [11]

Hình 2.9: Quy trình 1- bước (2-cấp) [11]

Hình 2.10: Quy trình 2- bước (2-cấp) [11]

Ưu điểm

 Thích hợp với nguồn nguyên liệu khí có nồng độ CO2 cao và lưu lượng lớn

 Màng bán thấm có trọng lượng nhỏ và chiếm khoảng không gian ít nên áp dụng tốt ngoài giàn

 Hệ thống an toàn và thân thiện với môi trường

 Chi phí thấp, độ linh động cao

 CO2 có áp suất tương đối thấp (65psig)

 Khí nguyên liệu cần được xử lý tách nước và cặn cơ học trước khi vào màng

 Mức độ làm ngọt khí không cao

 Mất mát HC do bay hơi

 Chi phí cho thiết bị cao trong trường hợp yêu cầu làm ngọt khí cao nếu so sánh với các phương pháp còn lại

Trang 36

Hình 2.11: Kích thước của phân tử CH4 và CO2 [11]

Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống kết hợp màng và amine [3]

Ưu điểm

 Yêu cầu ít năng lượng

 Dung môi ít tạo bọt và ăn mòn

 Khả năng hấp thụ khí axit rất cao

Trang 37

 Lôi cuốn HC nặng

 Cần thêm một bộ chưng cất để loại bỏ oxazolidones- sản phẩm phản ứng của DIPA với

CO2

Trang 38

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU CHI TIẾT CÔNG NGHỆ TÁCH CO2 BẰNG MÀNG

CHƯƠNG 3 : GIỚI THIỆU CHI TIẾT CÔNG NGHỆ TÁCH

 Dạng không có lỗ xốp (hợp kim Pb, oxit) dạng có lỗ (kim loại đioxit, zeolit)

 Dạng cấu trúc/ không cấu trúc

là cấu trúc màng không đồng chất (Asymmetric Membrane Structue)

Cấu trúc này trái ngược hẳn với cấu trúc đồng nhất (Homogenous Structure) Ở đó tính xốp của màng kém, hoặc đồng nhất toàn diện hơn

Lớp không chứa lỗ rỗng đáp ứng những yêu cầu về màng lý tưởng, ở đó độ chọn lọc của màng cao hơn và màng cũng mỏng hơn Lớp có lỗ rỗng cung cấp sự chống đỡ cơ học và cho phép dòng chảy tự do của các hợp chất thấm qua lớp không có lỗ

Mặc dù các màng dạng không đồng nhất là sự cải tiến rất lớn dựa trên các cấu trúc màng đồng nhất, nhưng chúng cũng có một trở ngại Bởi vì chúng chỉ bao gồm một loại vật liệu, đắt tiền, các polymer sản xuất theo yêu cầu của khách hàng đòi hỏi độ thẩm thấu cao, chúng thường được sản xuất với số lượng rất nhỏ Để khắc phục sự khó khăn này người ta tạo ra một loại màng với tên gọi là màng tổng hợp (composite membrane) Màng này gồm một lớp thẩm thấu

Trang 39

chọn lọc rất mỏng (selective layer) chế tạo từ một loại polymer được gắn vào một cấu trúc không đồng nhất được tạo ra từ một loại polymer khác Cấu trúc hỗn hợp này cho phép sản xuất màng sử dụng dễ dàng, vật liệu sẵn có Cấu trúc hỗn hợp đang được sử dụng trong hầu hết các màng loại bỏ CO2 vì những tính chất của lớp chọn lọc có thể được điều chỉnh dễ dàng mà không cần tăng chi phí cho màng

3.1.Các loại màng phổ biến dùng hiện nay:

A Màng Polysulfone (PS)

Hình 3.1: Cấu trúc phân tử của Polysulfone [3]

Do chi phí cao của nguyên liệu và chế biến, polysulfones được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt và thường là một sự thay thế tốt hơn cho polycarbonat

Hình 3.2: Cấu trúc màng Polysulfone [3]

 Tính chất vật lý: Những polyme này rất cứng, có độ bền cao, và trong suốt, duy trì được những

tính chất này ở nhiệt độ từ - 100°C và 150°C Nó có độ ổn định cao, có sự thay đổi kích thước khi tiếp xúc với nước nóng hoặc trong không khí ở 150°C hoặc hơi nước giảm xuống dưới mức

0,1% Nhiệt độ chuyển hóa thành thủy tinh là 185°C

Trang 40

Định dạng
Số trang	88
Dung lượng	4,55 MB