Đồ án chuyên ngành chế biến khí NNT hai bậc nhận C2+

Mô phỏng Sơ đồ NNT hai bậc để nhận C2+ có chu trình làm lạnh bằng Propane và ethylene. Đồ án chế biến khí sử dụng phần mềm hysys aspen để tính toán khác gì so với tính toán thông thường. Sử dụng nguồn khí Bạch Hổ để làm nguyên liệu cho phân xưởng chế biến

MỤC LỤC

PHẦN 1: TỔNG QUAN 5

1 Giới thiệu về khí tự nhiên và khí đồng hành 5

1.1 Thành phần và các đặc tính của khí tự nhiên và khí đồng hành 5

1.2 Tình hình khai thác và chế biến khí tự nhiên, khí đồng hành ở Việt Nam 5

1.3 Công nghệ chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành 6

1.3.1 Chuẩn bị khí để chế biến 6

1.3.2 Các phương pháp chế biến khí 7

1.4 Chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp (NNT) 8

1.5 Chế biến khí bằng phương pháp hấp thụ 9

1.6 Chế biến khí bằng phương pháp chưng cất 10

PHẦN 2: CƠ SỞ CỦA QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ NHIỆT ĐỘ THẤP CÓ CHU TRÌNH LÀM LẠNH NGOÀI 11

2.1 Cơ sở của quá trình NNT có chu trình làm lạnh ngoài 11

2.2 Qúa trình chuyển pha 11

2.2.1 Phương trình trạng thái của các hydrocacbon 11

2.2.2 Giản đồ pha hệ một cấu tử 12

2.2.3 Giản đồ pha hệ nhiều cấu tử 13

2.2.4 Cân bằng pha lỏng – hơi 14

2.2.4.1 Hằng số cân bằng pha 14

2.2.4.2 Cách tính thành phần lỏng hơi bên trong đường bao pha 15

PHẦN 3: 17

CÁC CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHẾ BIẾN NGƯNG TỤ NHIỆT ĐỘ THẤP (NNT) CÓ CHU TRÌNH LÀM LẠNH NGOÀI 17

3.1 Sơ đồ NNT một bậc nhận C≥3 có chu trình làm lạnh bằng Propan 17

3.2 Sơ đồ NNT một bậc nhận C≥3 có chu trình làm lạnh bằng Propan và tách Etan sơ bộ 18

3.3 Sơ đồ NNT một bậc nhận C≥3 có chu trình làm lạnh với tác nhân lạnh hỗn hợp 21

3.4 Sơ đồ NNT một bậc nhận C≥2 có chu trình làm lạnh bằng Propan và Etan 22

3.5 Sơ đồ NNT hai bậc nhận C≥2 có chu trình làm lạnh bằng Propan và Etan 24

3.6 Sơ đồ NNT ba bậc nhận C≥3 có chu trình làm lạnh bằng Propan 25

PHẦN 4 28

CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN KHÍ BẰNG PHƯƠNG

PHÁP CHẾ BIẾN NNT CÓ CHU TRÌNH LÀM LẠNH NGOÀI 28

4.1 Thiết bị phân tách lỏng – hơi 28

4.2 Tháp tách etan (tháp tách metan) 31

4.2.1 Tháp đệm 31

4.2.2 Tháp đĩa 33

PHẦN 5 39

PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ CHÍNH 39

5.1 Phân tích lựa chọn công nghệ 39

5.2 Phân tích lựa chọn thiết bị chính 40

5.2.1 Các yếu tố có lợi cho tháp đệm 40

5.2.2 Các yếu tố có lợi cho tháp đĩa 42

PHẦN 6: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 43

6.1: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 43

6.1.1 Cân bằng vật chất theo tính toán 43

6.1.2 Cân bằng năng lượng theo tính toán 61

6.1.2.1 Tính năng lượng hỗn hợp khí đem vào 61

6.1.2.2 Tính năng lượng dòng khí II lấy ra trong quá trình 62

6.1.2.3 Tính năng lượng dòng khí III lấy ra trong quá trình 63

6.1.2.4 Tính năng lượng dòng khí IV lấy ra trong quá trình 64

6.1.2.5 Tính năng lượng dòng khí V lấy ra trong quá trình 65

6.1.2.6 Tính năng lượng dòng khí VI lấy ra trong quá trình 66

6.1.2.7 Tính năng lượng dòng khí VII lấy ra trong quá trình 67

6.1.2.8 Tính năng lượng dòng khí VIII lấy ra trong quá trình 67

6.1.2.9 Tính toán cân bằng năng lượng cho tháp chưng (10) 68

6.1.2.10 Cân bằng năng lượng cho tháp chưng (13) 73

6.1.2.11 Cân bằng năng lượng cho tháp chưng (20) 76

6.1.2.12 Cân bằng năng lượng cho tháp tách (24) 79

6.1.2.13 Cân bằng năng lượng cho tháp tách (30) 83

6.1.2.14: Cân bằng năng lượng cho tháp tách (41) 86

6.1.2.15: Năng lượng lấy ra từ thiết bị bay hơi Propan và Etylen (4-6) 88

6.1.2.16 Năng lượng lấy ra từ thiết bị làm lạnh E-107 và E-108 và đưa vào từ thiết bị

gia nhiệt E-106 91

6.2 Tính toán thiết bị chính- tháp tách etan 93

6.2.1 Tính đường kính 93

6.3 Tháp tách Methane 98

6.3.1 Tính đường kính 98

PHẦN 7: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH- HYSYS 107

7.1 Xây dựng cơ sở mô phỏng 107

7.2 Xây dựng lưu trình chính 107

7.3 Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng 115

7.3.1 Cân bằng vật chất và năng lượng cho các dòng vào – ra 115

7.3.2 Cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho từng tháp tách 117

7.4 Tính toán thiết bị chính 121

7.4.1 Tháp tách Metan 121

KẾT LUẬN 125

TÀI LIỆU THAM KHẢO 126

LỜI MỞ ĐẦU

Ngành dầu khí Việt Nam 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%

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 Cụ thể ở đây, ta sẽ tìm hiểu sâu về phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp hai bậc để nhận C≥2 có chu trình làm lạnh ngoài bằng propan và etan

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 CH4 là cấu tử chính còn có C2H6, C3H8, i- C4, n-C4 và các hydrocacbon nặng với hàm lượng đáng kể Thành phần những cấu tử cơ bản trong khí thay đổi trong một 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 S, CO2, N2 và Heli Khí còn được phân loại theo hàm lượng hydrocacbon từ propan trở lên Khí giàu propan, butan và các hydrocacbon nặng (trên 150 g/m3) được gọi là khí béo (hoặc khí dầu) Từ khí này chế tạo được xăng khí, khí hóa lỏng (LPG) và các hydrocacbon cho công nghệ tổng hợp hữu cơ Còn khí khô (hoặc khí gầy), được sử dụng làm nhiên liệu cho công nghiệp và đời sống, làm nguyên liệu cho tổng hợp hữu cơ, nguyên liệu cho sản xuất phân đạm, sản xuất etylen, axetylen, etanol,…

1.2 Tình hình khai thác và chế biến khí tự nhiên, khí đồng hành ở Việt Nam

Trữ lượng khí có thể phát hiện ước tính vào khoảng 1.300 tỷ m3 khí Trữ lượng này phân

bố trên toàn lãnh thổ nhưng chủ yếu ở bể Nam Côn Sơn, Sông Hồng, Malay-Thổ Chu Tiềm năng dầu khí nước ta chủ yếu ở 7 bể: Nam Côn Sơn, Malay-Thổ Chu, Sông Hồng,

bể Phú Khánh, bể Hoàng Sa, bể Trường Sa, bể Cửu Long Trong đó có năm bể đang hoạt động, còn hai bể đang thăm dò, kiểm tra

Sản xuất khí đốt tự nhiên ở Việt Nam là khoảng 9 tỷ m3 trung bình trong vòng năm năm

gần đây Sản lượng khí đốt tự nhiên của Việt Nam được dự báo sẽ nhanh chóng suy giảm trong vòng 10 năm tới do mỏ Bạch Hổ thuộc bể Cửu Long cạn kiệt và sản lượng bể Nam Côn Sơn giảm xuống

Khoảng 85% nhu cầu khí đốt tự nhiên Việt Nam dành cho Phát điện, 10% cho sản xuất phân bón và phần còn lại được tiêu thụ qua hình thức khí thấp áp hoặc LPG Tuy nhiên, nguồn cung khí đốt hiện nay chỉ có thể đáp ứng 60% nhu cầu điện năng, 30% nhu cầu phân bón và 60% nhu cầu LPG của Việt Nam Dự báo trong tương lai, những nhu cầu trên sẽ tăng mạnh, kéo theo nhu cầu tiêu thụ khí đốt cũng gia tăng

1.3 Công nghệ chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành

1.3.1 Chuẩn bị khí để chế biến

Khí tự nhiên và khí đồng hành là những nguyên liệu rất có giá trị để sản xuất nhiên liệu và nguyên liệu cho tổng hợp hóa dầu Các sản phẩm chính của quá trình chế biến khí đó là: xăng khí, khí hóa lỏng và các khí khô, các hydrocacbon: propan, i-butan, n-butan, pentan Chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành được thực hiện ở các nhà máy đặt ngay tại xí nghiệp khai thác, chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành

Tại các giàn khoan, dầu mỏ từ các giếng khoan được chuyển đến các giàn áp suất cao, trung bình và thấp Tại đó có sự thay đổi áp suất, khí hòa tan thoát ra khỏi dầu mỏ và được dẫn đến nhà máy chế biến khí Dầu mỏ được chuyển đến thùng chứa, tại đó lắng tách nước khỏi dầu, sau đó đưa sang ổn định tức là tách các cẩu tử nhẹ: etan, propan, butan và một phần pentan Dầu đã ổn định được dẫn đến nhà máy chế biến dầu, còn khí tách ra từ công đoạn ổn định cũng được dùng làm nguyên liệu cho các nhà máy chế biến khí

Khí sau khi khai thác ngoài các cấu tử chính là các hydrocacbon parafin còn chứa các tạp chất như: bụi, hơi nươc, khí trơ, CO2, H2S và các hợp chất hữu cơ của S Trước 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 các quá trình tách bụi, tách hơi nước và các khí axit

- Làm sạch khí khỏi các tạp chất cơ học:

Quá trình này được thực hiện nhờ các thiết bị cơ học Chia làm hai phương pháp làm sạch: khô và ướt Để làm sạch khô người ta sử dụng các thiết bị tách bụi: xyclon, lắng bụi và lọc điện Đối với những khí ẩm có chứa nhiều dầu mỏ nguyên khai, người ta dùng thiết bị lọc Scrubber, xyclon ẩm, máy rửa quay,…

-Quá trình sấy khí:

Nhằm mục đích giảm hàm lượng nước có trong khí sao cho áp suất riêng phần của hơi nước nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa của hydrat Các phương pháp thường sử dụng trong sấy khí là: hấp thụ, hấp phụ Ngoài ra có thể sử dụng thêm chất ức chế tạo hydrat để giảm nhiệt

độ tạo hydrat của hỗn hợp khí

-Làm ngọt khí:

Nhằm loại bỏ các tạp chất có tính axit như CO2, H2S và các hợp chất chứa S khác như COS, CS2, mecaptan RSH, thiophen,…gây độc hại cho người sử dụng, ô nhiễm môi trường, ngộ độc xúc tác, gây nhiều khó khăn cho quá trình vận chuyển và sử dụng

Phương pháp hấp thụ được sử dụng cho quá trình này:

+ Hấp thụ vật lý: sử dụng dung môi propylen cacbonat, ete dimetyl polyetylen glycol, N-metylpyrolidon,…

+ Hấp thụ hóa học: sử dụng dung dịch nước của alkanol amin, đáng chú ý là MEA

Ở mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng tùy theo từng loại dầu khí sử dụng

1.4 Chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp (NNT)

 Cơ sơ lý thuyết quá trình ngưng tụ

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

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 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 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

Sơ đồ công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp có thể được phân loại theo số bậc tách, kiểu nguồn làm lạnh, yêu cầu nhận sản phẩm ra

Theo nguồn làm lạnh có thể có: chu trình làm lạnh trong, chu trình làm lạnh ngoài, chu trình làm lạnh tổ hợp, trong đó nguồn lạnh bao gồm cả chu trình làm lạnh trong và chu trình làm lạnh ngoài

1.5 Chế biến khí bằng phương pháp hấp thụ

 Cơ sở lý thuyết

Ngoài chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ thì người ta còn áp dụng phương pháp hấp thụ để chế biến khí Quá trình hấp thụ vật lý được sử dụng trong công nghệ xử lý khí để loại hơi nước, H2S và CO2

Phương pháp hấp thụ tách khí tự nhiên và khí đồng hành 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

Nguyên lý của quá trình hấp thụ để tách khí propan và các hydrocacbon nặng hơn khỏi khí đồng hành và khí tự nhiên Mức độ nhận C≥3 của quá trình chế biến khí bằng

phương pháp hấp thụ chỉ đạt 40-50% Người ta cho rằng phương pháp hấp thụ chỉ có hiệu quả đối với nguồn nguyên liệu khí có hàm lượng C≥3 lớn hơn 350g/m3

Sơ đồ công nghệ này có thể đạt hiệu quả cao đối với nguồn nguyên liệu có C≥3 suất lớn Tháp hấp thụ hoạt động ở áp suất cao để giảm tối thiểu việc nén khí và duy trì tình trạng hoạt động của tháp tách etan và tháp này sẽ hoạt động ở áp suất thấp hơn

1.6 Chế biến khí bằng phương pháp chưng cất

Nguyên tắc׃ hỗn hợp khí được làm lạnh và tăng áp suất để chuyển sang trạng thái lỏng rồi đi vào tháp chưng cất để phân tách các cấu tử trong khí

Phân tách hiệu quả các hydrocacbon nhẹ như metan, etan, propan và iso – butan

Phụ thuộc vào sơ đồ nguyên lý của quá trình chưng cất nhiệt độ thấp, thiết bị cơ bản của

sơ đồ là các tháp chưng được chia thành tháp chưng – bốc hơi, tháp ngưng tụ - bốc hơi Tháp chưng cất – bốc hơi׃ dòng khí nguyên liệu được làm lạnh rồi đi và giữa tháp Tháp ngưng tụ – bốc hơi: dòng khí được làm lạnh ngoài bằng hệ thống làm lạnh ở đỉnh tháp, đi vào bộ tách hồi lưu rồi vào đỉnh tháp

Sơ đồ công nghệ của phương pháp này đạt hiệu quả cao đối với khí có hàm lượng C≥3lớn hơn 600g/m3 và thiết bị đơn giản hơn quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp

Thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ của quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp

PHẦN 2: CƠ SỞ CỦA QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ NHIỆT ĐỘ THẤP CÓ

CHU TRÌNH LÀM LẠNH NGOÀI

2.1 Cơ sở của quá trình NNT có chu trình làm lạnh ngoài

Khí đồng hành và khí tự nhiên là một hỗn hợp bao gồm nhiều cấu tử 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 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

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

Chu trình làm lạnh ngoài không phụ thuộc vào sơ đồ công nghệ và có tác nhân lạnh riêng Dựa vào loại tác nhân lạnh, chu trình làm lạnh ngoài có thể chia thành hai nhóm: nhóm một tác nhân làm lạnh và nhóm nhiều tác nhân làm lạnh (trong đó thường là hỗn hợp các hydrocacbon nhẹ) Chu trình làm lạnh ngoài có ứng dụng hai hay nhiều tác nhân làm lạnh được gọi là chu trình làm lạnh bậc thang

2.2 Qúa trình chuyển pha

2.2.1 Phương trình trạng thái của các hydrocacbon

Một số phương trình trạng thái xác định quan hệ giữa nhiệt độ, áp suất và thể tích của

hệ

 Với hệ lý tưởng chúng ta có phương trình trạng thái: PV= nRT

 Phương trình Redlich – Kwong(RK): P = 𝑅𝑇

𝑣−𝑏 − a

𝑇 0.5 (𝑣+𝑏)Trong đó: a,b là các hằng số quan hệ; v là thể tích mol

 Phương trình Peng – Robinson(PR) : P = 𝑅𝑇

𝑣−𝑏 − a(T)𝑣(𝑣+𝑏)+𝑏(𝑣−𝑏)Trong đó: a,b là các hằng số quan hệ; v là thể tích mol

2.2.2 Giản đồ pha hệ một cấu tử

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 2.1 Giản đồ P – T của hệ một cấu tử[1]

Đường HD, HC và FH là các đường cân bằng bao gồm tập hợp các giá trị áp suất, nhiệt độ, tại đó có cân bằng pha

Điểm H là điểm duy nhất tại nhiệt độ và áp suất xác định đồng thời tồn tại ba pha nằm cân bằng với nhau Tại đường cân bằng ở nhiệt độ và áp suất không đổi hệ có thể chuyển pha bằng cách thêm vào hoặc bớt năng lượng của hệ

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 Tc 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 2.1

Từ ”m” đến ”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

2.2.3 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 2.2 thể hiện giản đồ pha hệ nhiều cấu tử trong đó trục tung là áp suất và trục

hoành là nhiệt độ

Hình 2.2 Giản đồ pha điển hình của hệ nhiều cấu tử[1]

* 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

2.2.4 Cân bằng pha lỏng – hơi

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

xi 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

2.2.4.2 Cách tính thành phần lỏng hơi bên trong đường bao pha

Xét phương trình cân bằng vật liệu toàn hệ:

F= V + L

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

Trong đó: Ci : là phần mol của cấu tử i trong nguyên liệu vào tháp tách

yi là phần mol cấu tử i trong pha hơi

x i là phần mol cấu tử i trong pha lỏng

Ki: 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 Ci = V.yi + L.xi

Đồng thời, theo định nghĩa hằng số cân bằng pha yi = K.xi, ta có

xi= 𝐶𝑖 𝐿+𝑉.𝐾 𝑖, yi= 𝐶𝑖

𝑉 + 𝐿𝐾𝑖Tổng phần mol các cấu tử phải bằng 1, do đó

Bằng phương pháp lặp, chọn các giá trị L và K sao cho các biểu thức trên là đúng

Mặt khác, có thể viết Σyi - Σxi = 0

Biểu thức trên là biểu thức tổng quá thường được sử dụng trong lập trình tính toán trên máy tính

Để hiểu hơn ta đi xét một số sơ đồ công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp có chu trình làm lạnh ngoài

3.1 Sơ đồ NNT một bậc nhận C≥3 có chu trình làm lạnh bằng Propan

 Sơ đồ công nghệ

Hình 3.1 Sơ đồ ngưng tụ NNT một bậc[1]

1,7 Bộ phận tách khí; 2 Bộ phận nén khí; 3 Thiết bị làm mát bằng không khí; 4,5 Thiết

bị trao đổi nhiệt; 6,10 Bộ phận bay hơi propan; 8 Tháp tách etan; 9 Hồi lưu; 11 Bộ phận đun nóng; I Khí đưa vào chế biến; II Khí khô sản phẩm; III Các hydrocacbon C≥3

 Nguyên lý hoạt động

Theo như sơ đồ trên, khí nguyên liệu từ ống dẫn được đưa vào bộ phận tách khí sơ bộ 1, tại đây nó được làm sạch khỏi các tạp chất cơ học và các chất lỏng dạng hạt (dầu, nươc ) Tiếp theo khí được đưa vào máy nén 2, tại đây áp suất có thể đạt tới 3,0 – 4,0 MPa và cao hơn Khí được nén qua thiết bị làm mát bằng không khí 3, được làm lạnh tới nhiệt độ -200C

… -350C lần lượt trong các thiết bị trao đổi nhiệt 4 và 5 do dòng lạnh của khí khô và chất lỏng ngưng tụ từ tháp phân tách 7 Sau đó qua bộ phận bay hơi propan 6, một phần khí được ngưng tụ và đi vào tháp phân tách 7, ở đó hydrocacbon 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 Từ đáy tháp 7, phần ngưng tụ được tháo ra, sau khi được truyền qua bộ trao đổi nhiệt 5, nhiệt độ được nâng lên 200C … 300C và được đưa vào phần giữa tháp tách etan 8 Sản phẩm đỉnh tháp gồm C1, C2, C3 được trồn lẫn với khí khô, đưa vào đường ống dẫn khí chính Sản phẩm đáy tháp chính là phân đoạn chứa hỗn hợp propan và các hydrocacbon nặng C≥3

* Ưu điểm: vốn đầu tư ít, sơ đồ đơn giản

Hình 3.2 Sơ đồ NNT có tách sơ bộ etan[1]

1.Máy nén; 2 Thiết bị làm mát bằng không khí; 3,4,5 Thiết bị trao đổi nhiệt; 6,11 Thiết

bị bay hơi propan; 7,8 Tháp tách; 9 Tháp tách etan; 10 Bình chứa có hồi lưu; 12 Thiết bị đun sôi đáy tháp; I Khí nguyên liệu; II Khí khô; III Các hydrocacbon nặng

 Nguyên lý hoạt động

Theo sơ đồ thì khí được chế biến như sau: trước khi chế biến, khí nguyên liệu được đưa vào bộ phận tách khí sơ bộ, tại đây nó được làm lạnh khỏi các tạp chất cơ học và các chất lỏng dạng hạt (dầu, nước, chất lỏng ngưng tụ…)

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 phận 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 lại được đưa vào tháp tách (8), ở đó bơm luôn giữ áp suất cao cho pha hơi lấy ra từ đỉnh tháp tách này để trộn với dòng khí nguyên liệu trước khi vào bộ phận bay hơi propan (6) để ngưng

tụ Còn phần lỏng tách ra ở đáy tháp đi qua thiết bị trao đổi nhiệt (4) và được đưa vào phần giữa của tháp (9)

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

Hình 3.3 Sơ đồ NNT có chu trình làm lạnh dùng tác nhân lạnh hỗn hợp[1]

1,4 Máy nén; 8,1 Bộ phận tách khí; 2,5 Trao đổi nhiệt không khí; 11 Tháp tách etan; 3,6,9 Thiết bị trao đổi nhiệt; 12 Hồi lưu; 7 Thiết bị bay hơi tác nhân lạnh hỗn hợp; 13,14 Van tiết lưu; I Khí nguyên liệu; II Khí khô; III Các hydrocacbon nặng

 Nguyên lý hoạt động

Khí đồng hành được nén tới áp suất 3,7 MPa đi và thiết bị làm mát bằng không khí qua thiết bị trao đổi nhiệt 3, thiết bị bay hỏi tác nhân làm lạnh hỗn hợp 7 và được làm lạnh đến

nhiệt độ -600C Hỗn hợp 2 pha tạo thành được tách ở tháp tách 10 Khí khô sau khi truyền nhiệt lạnh ở thiết bị 6 và được dẫn vào giữa tháp tách từ tháp tách etan 11 khí sau khi truyền lạnh trong thiết bị 3 được đưa đi sử dụng phân đoạn chứa các hydrocacbon được tháo ra ở tháp 11, sau khi truyền nhiệt trong thiết bị 9

Một phần condesat tử tháp phân tách 1 có thể được đưa đi để tạo hỗn hợp tác nhân làm lạnh Nó được gia nhiệt trong thiết bị 9 bằng sản phẩm của tháp 11 đến 20 ÷ 450C Một phần được bay hơi và tách khí trong tháp tách 8 qua van tiết lưu 14 để giảm áp suất tới 0.118 ÷ 0.125MPa, hoàn toàn được bay hơi và đưa máy nén 4 có chu trình lạnh và từ đó nó trở thành tác nhân làm lạnh

 Ưu, nhược điểm

Vì metan và etan có nhiệt độ sôi lần lượt là -1610C và -890C nên khí sử dụng chúng là tác nhân làm lạnh thì quá trình ngưng tụ sẽ xảy ra tốt hơn, các cấu tử nặng được tách triệt để hơn Sơ đồ này về cơ bản giống như sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp một bậc với tác nhân làm lạnh bằng propan nhưng các thông số về nhiệt độ áp suất của quá trình thì khác nhau Người

ta đã nghiên cứu và thấy rằng sử dụng tác nhân lạnh tổ hợp có lợi nhiều hơn về mặt kinh tế cũng như kỹ thuật

3.4 Sơ đồ NNT một bậc nhận C≥2 có chu trình làm lạnh bằng Propan và Etan

 Sơ đồ công nghệ

Hình 3.4 Sơ đồ NNT một bậc có chu trình làm lạnh ngoài bằng propan và etan để nhận

C ≥2 [1]

1,4,10 Các tháp tách; 2 Máy nén; 3 Thiết bị làm mát bằng không khí; 5 Bloc sấy; 6,8 Trao đổi nhiệt; 7,12,15 Bay hơi propan; 9 Bay hơi etan; 11 Tháp tách metan; 13,16 Hồi lưu; 14 Tháp tách etan; I Khí nguyên liệu; II Khí khô; III Các hydrocacbon nặng; IV Etan sản phẩm

 Nguyên lý hoạt động

Sơ đồ này có hai nguồn làm lạnh: chu trình làm lạnh bằng propan và chu trình làm lạnh bằng etan Khí được làm lạnh liên tục và một phần được ngưng tụ ở thiết bị làm mát bằng không khí 3, thiết bị trao đổi nhiệt 6, bộ phận bay hơi propan 7, thiết bị trao đổi nhiệt 8 và

bộ phận bay hơi 9, chưa có sự tách pha lỏng Điều đó cho phép tách etan tốt hơn ở các bậc sau

Đặc điểm thứ hai của sơ đồ có tháp tách etan và tháp tách metan để được sản phẩm C≥2 Nhiệm vụ của tháp tách metan là tách toàn bộ metan ra khỏi phân đoạn chứa hydrocacbon

C≥2 ,tháp tách metan làm việc trong điều kiện áp suất 3.5 ÷ 4.0Mpa, nhiệt độ hồi lưu là 60 900C, nhiệt độ đáy tháp là 20 600C, số đĩa trong tháp tách là từ 20 25 đĩa

 Ưu điểm: có hai tác nhân làm lạnh propan và etan có thể nhận trực tiếp từ nhà máy

chế biến khí, điều đó đảm bảo tính độc lập cao của nhà máy

Có 2 thiết bị tách sơ bộ, khí nguyên liệu được tách khỏi các tạp chất triệt để hơn

Tách triệt để metan ra khỏi hỗn hợp, sản phẩm etan tách tinh khiết hơn, do đó tính chọn lọc sản phẩm cao Vốn đầu tư ít, dễ vận hành do điều kiện nhiệt độ, áp suất làm việc thấp

3.5 Sơ đồ NNT hai bậc nhận C≥2 có chu trình làm lạnh bằng Propan và Etan

 Sơ đồ công nghệ

Hình 3.5.Sơ đồ công nghệ nhà máy chế biến khí ở Tây Virginia (Mỹ) [1]

1.Tháp tách sơ bộ; 2 Tháp sấy; 3 Lọc; 4 Hệ thống trao đổi nhiệt và bay hơi Propan; 5,7

Tháp tách nhiệt độ thấp; 6 Hệ thống trao đổi nhiệt và bay hơi etylen; 8,15,19,23,29,36 Hồi lưu; 9 Thiết bị làm mát bằng etylen; 10 Tháp tách metan; 11,16,21,25,31,39 Bộ phận đun

sôi đáy tháp; 12 Bình chứa trung gian; 13 Tháp tách etan; 14,33 Chu trình bay hơi propan;

17 Bloc làm sach CO2; 18,22,27,28,32,40 Thiết bị làm mát bằng không khí; 20 Tháp tách propan; 24 Tháp tách butan; 26 Thiết bị trao đổi nhiệt; 30 Cột izo-butan; 34 Bình chứa etan; 35 Bloc làm sạch H2S; 37 Đốt nóng sơ bộ; 38 Bloc làm sạch benzin; 41 Tháp chưng condensat; I Khí nguyên liệu; II Etan; III Propan; IV Izo-butan; V Cặn benzin; VI n-butan; VII Benzin; VIII Khí khô

 Nguyên lý hoạt động

Khí tự nhiên sau khí qua tháp tách sơ bộ 1 được làm sạch khỏi các tạp chất cơ học, đi vào tháp sấy 2 có chứa rây phân tử, ở đây khí được sấy đến điểm sương -840C và sau đó được làm sạch bụi ở bộ phận lọc 3 Qua hệ thống trao đổi 4 nhờ dòng khí khô lạnh đi ngược chiều

và bộ phận bay hơi propan, khí tự nhiên được làm lạnh đến -370C Khí đó khoảng một nửa hydrocacbon được ngưng tụ Chúng được tách ra ở tháp tách 5 và được dẫn đến tháp tách metan 10 Còn khí đi ra từ tháp tách 5 được làm lạnh đến -930C trong hệ thống trao đổi nhiệt và bay hơi etylen 6 bằng khí khô condensat và etylen đang sôi Phân đoạn lỏng lấy ra khí này được phân tách trong tháp tách 7 và sau khi tuần hoàn lạnh được đưa vào tháp tách metan 1 Còn khí thoát ra được đưa đi sử dụng Theo sơ đồ này khoảng 87% etan và gần 99% propan và toàn bộ hydrocacbon nặng được tách ra

 Ưu- nhược điểm, phạm vi ứng dụng:

Sơ đồ này được ứng dụng điển hình trong các nhà máy chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành để nhận etan và các hydrocacbon nặng hơn Không có sự khác nhau về nguyên tắc giữa chu trình làm lạnh sử dụng tác nhân lạnh propan –etan và propan – etylen Chu trình lạnh propan- etylen cho phép nhận được nhiệt độ thấp hơn

3.6 Sơ đồ NNT ba bậc nhận C≥3 có chu trình làm lạnh bằng Propan

 Sơ đồ công nghệ

Hình 3.6 Sơ đồ thiết bị NNT ba giai đoạn[1]

1,6,8,9 Các tháp tách; 2 Máy nén; 3 Thiết bị làm mát bằng không khí; 4 Thiết bị trao đổi nhiệt; 5,7,10,13 Thiết bị bay hơi propan; 11 Tháp tách etan; 14 Thiết bị đun sôi đáy tháp; 12 Hồi lưu; I Khí nguyên liệu; II Khí khô; III Các hydrocacbon nặng

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 ngưng tụ một

bậc thấp hơn Điều đó dẫn đến tăng lượng nhiệt mất mát do các sản phẩm nhẹ metan và etan Tuy nhiên với sơ đồ nhiều bậc vốn, kinh phí bỏ ra nhiều

* Ưu điểm công nghệ: do công nghệ sử dụng chu trình làm lạnh ngoài nên thiết bị đơn giản,

vốn đầu tư ít, dễ dàng triển khai

* Nhược điểm công nghệ: công nghệ này có độ chọn lọc không cao do năng lượng tiêu tốn

nhiều để ngưng tụ các cấu tử nhẹ dễ sôi, để khắc phục nhược điểm này ta có các công nghệ NNT có chu trình làm lạnh ngoài nhiều bậc cho độ phân chia cao

* Phạm vi ứng dụng : 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

PHẦN 4 CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHẾ BIẾN NNT CÓ CHU TRÌNH LÀM LẠNH NGOÀI

Các cụm thiết bị chính trong sơ đồ công nghệ chế biến khí bằng phương pháp chế biến NNT có chu trình làm lạnh ngoài:

4.1 Thiết bị phân tách lỏng – hơi

Thiết bị này có nhiệm vụ phân tách lỏng – hơi sau khi ngưng tụ nguyên liệu vào Hoạt động của thiết bị dựa vào trọng lực, chất lỏng có khối lượng riêng lớn hơn lắng xuống đáy thiết bị, hơi nhẹ hơn đi lên trên Tuy nhiên, trong quá trình hơi tách ra khỏi lỏng, hơi cuốn theo những giọt lỏng có kích thước nhỏ tạo thành sương mù mà không thể tách bằng trọng lực Trong quá trình đi lên, những hạt này kết hợp lại thành những hạt lớn hơn và có thể lắng xuống dưới tác dụng trọng lực

Dựa vào hình dạng và chế độ mà người ta phân loại thiết bị phân tách lỏng – hơi thành 2

loại:

Hình 4.1 Tháp tách hai pha nằm ngang[3]

Hình 4.2 Tháp tách hai pha thẳng đứng[3]

Cấu tạo của thiết bị tách gồm 4 phần cơ bản sau Đầu vào A, có tác dụng giảm tốc độ dòng chảy, phân tách sơ bộ lỏng – hơi Phần tách khí B được thiết kế để dùng trọng lực tách các giọt lỏng bị lôi cuốn theo Nó là vùng không gian trống mà khí di chuyển với vận tốc thấp, trong thiết bị nằm ngang, còn lắp thêm các cánh quạt thẳng để giảm sự rối loạn và chiều dài của thiết bị Vùng tách lỏng D có nhiệm vụ thu hồi các giọt lỏng rơi xuống, đồng thời cung cấp thời gian lưu đủ lớn để tách hơi Phần tách sương C sử dụng các tấm lưới, hệ thống cánh quạt hoặc các cyclone Nó có tác dụng loại bỏ những hạt lỏng có kích thước nhỏ, có thể đến 3 micromet [3]

Để lựa chọn loại thiết bị không có quy tắc cụ thể nào Thông thường ta dùng chỉ tiêu kinh tế để lựa chọn Các ứng dụng, và so sánh được thể hiện bảng sau đây:

Bảng 4.1: So sánh ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của tháp tách 2 pha nằm ngang và

thẳng đứng

Phạm vi

- Thể tích hỗn hợp vào lớn

- Tỉ lệ hơi/lỏng không quá cao

- Lưu lượng dòng vào nhỏ

- Việc kiểm soát mức chất lỏng không quá quan trọng

- Có đủ không gian thoát khí ở trên và lỏng ở dưới

- Đường kính lớn hơn so với thiết

Tháp tách ba pha thường được sử dụng trong việc tách hydrocacbon glycol Thiết bị tách nằm ngang có hiệu quả nhất khi khối lượng chất lỏng lớn Một tháp tách ngang được thể hiện trên hình 4.3, các chất lỏng đã được tách ra , khí nhẹ di chuyển lên trên, lỏng lắng phía dưới chiếm các phần tương ứng trên hình, tăng khả năng tách thu được qua thời gian lưu ngắn và tăng mức chất lỏng Hình 4.3 cũng minh họa sự tách biệt của hai pha lỏng(glycol

và hydrocarbon) Mật độ glycol lắng xuống đáy và được thu hồi Mức glycol được kiểm soát bởi một công cụ kiểm soát mức độ Dải phân cách ngang thuận lợi cho hiệu suất tách trọng lực trong đó các giọt chất lỏng hoặc bọt khí đang di chuyển vuông góc với vận tốc pha lớn hơn là trực tiếp chống lại như trong dòng chảy thẳng đứng, làm cho tách dễ dàng hơn

4.2 Tháp tách etan (tháp tách metan)

Tháp tách etan thực tế là một tháp chưng cất Sản phẩm đỉnh tháp là hỗn hợp gồm metan (20 – 70% thể tích), etan (30 – 75% thể tích), propan (không quá 5% thể tích) Áp suất làm việc của tháp từ 3,0 – 3,5 Mpa Việc duy trì áp suất cao không yêu cầu tiêu tốn thêm năng lượng do áp suất của phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp vào khoảng 4,0 Mpa Áp suất cao hơn không có lợi do khó khăn trong việc tách khí Ở điều kiện áp suất đó, nhiệt độ đỉnh tháp từ -30 đến 0oC, nhiệt độ đáy tháp từ 90 đến 120oC

Có 2 loại tháp chưng phổ biến là tháp đệm và tháp đĩa Tháp đĩa có nhiều dạng như: đĩa lỗ, van, đĩa chóp Đĩa lỗ và van được dùng phổ biến hơn dạng chóp do có hiệu suất cao, khoảng vận hành rộng, chi phí thấp và dễ bảo trì Tháp đệm cũng có nhiều loại, được chia thành: đệm đổ lộn xộn và đệm cấu trúc Đệm đổ lộn xộn thường dùng trong các tháp loại nhỏ, trong khi đệm cấu trúc được sử dụng trong các cột lớn hơn

4.2.1 Tháp đệm

Các đệm trong tháp là các vòng bằng gốm: Để bề mặt tiếp xúc phía trong vòng gốm người ta làm các tấm chắn, người ta xếp đệm trên các đĩa có hai loại lỗ khác nhau Các lỗ nhỏ (phía dưới) để chất lỏng đi qua và lỗ lớn (phía trên) để cho hơi đi qua Nhược điểm của loại đĩa này là: tiếp xúc giữa pha hơi và pha lỏng không tốt Nhưng khi dùng tháp có đường

kính nhỏ hơn 1 m, thì hiệu quả của tháp này không kém tháp đĩa chóp, vì vậy chúng thường dùng để chưng luyện gián đoạn với công suất thiết bị không lớn

Hình 4.4 Cấu tạo tháp đệm và các loại đệm [4]

Ưu điểm của tháp đệm là độ giảm áp nhỏ (17 – 50 mmH2O trên 1m đệm) và năng suất hơn (trên 1m đường kính) khi tỉ lệ lỏng/hơi cao Ngoài ra, kích thước tháp đệm cũng nhỏ hơn nên chi phí ban đầu thấp Nhược điểm của tháp đệm là dễ tắc khi có lẫn bụi bẩn và phân bố lỏng không đều khi đường kính tháp lớn

4.2.2 Tháp đĩa

 Tháp chóp

Tháp chóp có các đĩa kim loại mà trong đó có cấu tạo nhiều lỗ để cho hơi đi qua Theo chu vi các lỗ người ta bố trí trong nhánh có độ cao xác định gọi là cốc, nhờ có ống nhánh này giữ mức chất lỏng xác định Phía trên các ống nhánh là các chóp Khoảng giữa ống nối

và chóp có vùng không gian cho hơi đi qua, đi từ đĩa dưới lên đĩa trên

Hình 4.5 Hai đĩa đầu tháp bubble-cap[3]

Hình 4.6 Đường hơi đi qua[3]

Hình 4.8 trình bày một bản phác thảo isometric của hai khay đầu trong một tháp phân đoạn với mũ bọt Các mũ bọt, cùng với các van và downcomers, duy trì một mức chất lỏng

trên các khay Chất lỏng chảy qua khay, vào downcomer, và trên khay tiếp theo theo hướng ngược lại Các hơi chảy lên qua nắp và thông qua các khe trộn với chất lỏng

Hình 4.9 cho thấy lưu lượng hơi qua khay nắp bọt, khay sàng, và khay van Do ống đứng trong nắp bọt, nó là khay chỉ có thể được thiết kế để ngăn chặn chất lỏng từ"weeping" thông qua lối đi của hơi Sàng hoặc van khay kiểm soát weeping bởi vận tốc hơi Khay nắp bọt có tỷ lệ đầu cao nhất, với tỉ lệ thiết kế thông thường 8/1-10/1 Khay nắp bọt thường được sử dụng trong tháp chưng glycol dehydrat hóa Van và đĩa rây được dùng phổ biến

do giá thành thấp hơn và tăng công suất trên khay nắp bọt cho đường kính tháp nhất định.

 Tháp đĩa lỗ

Hình 4.7 Đĩa lỗ

Lớp chất lỏng một có chiều cao khoảng 25 ÷ 30mm Giữ ở trên các đĩa, hơi qua các lỗ sàng

2, và làm sủi bọt qua lớp chất lỏng, lớp chất lỏng trên đĩa mà dư thì chảy tho ống chảy chuyền 3 xuống dưới Loại đĩa này yêu cầu chế độ không đổi, vì rằng như khi giảm hiệu suất thiết bị sẽ làm giảm sự gặp nhau giữa dòng hơi và dòng lỏng, dò hết xuống, làm cho đĩa trở ra, khi tăng công suất thì làm tăng dòng hơi gặp nhau, và lượng lớn hơi, cấu tử nặng

đi ra khỏi chất lỏng làm phá vỡ cân bằng trong tháp và làm giảm sự phân chia trong tháp

Hình 4.8 Mặt cắt ngang đĩa lỗ có kênh chảy truyền[9]

Hình 4.8 thể hiện mặt cắt ngang đĩa lỗ có kênh chảy truyền Đây là loại đĩa được đục các

lỗ có đường kính dh Tốc độ dòng khí đi từ dưới lên sẽ giữ cho lỏng ở trên đĩa không chảy qua lỗ xuống đĩa dưới(do áp lực ma sát giữa lỏng và khí) Nếu tốc độ dòng khí giảm xuống thì một phần lỏng ở trên đĩa sẽ chảy qua lỗ xuống dưới và chiều dài đường đi của lỏng trên đĩa sẽ giảm xuống và vì vậy hiệu suất đĩa sẽ giảm theo Vì nguyên nhân này mà đĩa lỗ có khoảng làm việc tương đối thấp.[9]

 Kênh chảy truyền chất lỏng

Pha lỏng đi từ trên xuống đĩa dưới qua kênh thẳng đứng được gọi là kênh chảy truyền Kênh chảy truyền chất lỏng dùng để dẫn chất lỏng từ đĩa trên xuống đĩa dưới Chất đi vào kênh chảy truyền từ đĩa trên xuống đĩa dưới không phải là lỏng thuần túy mà là hỗn hợp của lỏng và khí Phần lỏng chứa trong hỗn hợp này thường khoảng 20-30% thể tích Do khác nhau về khối lượng riêng nên phần lớn khí được tách ra khỏi hỗn hợp lỏng-khí trong kênh chảy truyền và đi lên phía đĩa trên Một lượng bọt khí nhất định vẫn còn lại trong lỏng

sẽ đi cùng lỏng qua kênh chảy truyền vào đĩa phía dưới

Kênh chảy truyền loại phẳng, thẳng đứng hình viên phân được dùng phổ biến nhất Phương

án kênh chảy truyền này đơn giản, ít tốn kém và tạo điều kiện sử dụng hiệu quả diện tích của đĩa cho chảy truyền lỏng

Hình 4.9 Sơ đồ chuyển động của dòng lỏng trên đĩa.

a.Chuyển động đơn giản; b.Chuyển động hai chiều;

c.Chuyển động ba chiều; d.Chuyển động bốn chiều

Chảy truyền chất lỏng theo phương án ống tròn (ống chảy truyền) ít tốn kém hơn nhưng khả năng sử dụng diện tích của đĩa kém hiệu quả hơn và phương án này chỉ phù hợp khi lưu lượng dòng lỏng rất thấp

 So sánh một số loại đĩa thường gặp

Bảng 1.6 đã đưa ra một số các tiêu chuẩn đánh giá và so sánh chung nhất cho ba loại đĩa chính với giả thiết là các đĩa này được thiết kế và lắp đặt và vận hành đúng

Đĩa lỗ và đĩa van có thể so sánh với nhau được hiệu suất năng suất, lượng lỏng bị cuốn theo dòng hơi và về trở lực của đĩa

Trong đó khoảng làm việc của đĩa loại van chuyển động tốt hơn nhiều so với khoảng làm việc của các đĩa loại lỗ và loại van cố định

Về giá thành, đĩa loại lỗ có giá thành thấp nhất, còn đĩa loại van có giá cao hơn không nhiều

Về điều kiện bảo dưỡng, khả năng tắc nghẽn và khả năng ăn mòn, đĩa loại van cố định

và đĩa loại lỗ ít gặp phiền toái nhất Trong khi đó, đĩa loại van chuyển động về các kía cạnh trên lại có nhiều khả năng trục trặc nhất

Đĩa lỗ và đĩa loại van cố định được sử dụng phổ biến nhất do các trường hợp khi khả năng ăn mòn và khả năng tắc nghẽn cao, hoặc trong các trường hợp khi độ rộng của khoảng làm việc ít quan trọng

Đĩa lại van chuyển động được sử dụng rộng rãi khi cần khoảng làm việc rộng Phần năng lượng tiết kiệm được khi dùng đĩa loại van chuyển động sẽ bù lại được phần kinh phí tăng lên khi sử dụng đĩa loại van chuyển động

Bảng 4.2 So sánh một số loại đĩa thường gặp [9]

động

Tỉ số vận hành

Khoảng 2:1 Nhìn chung không phù hợp với điều kiện tải trọng thay

đổi

Khoảng 2,5:1 Nhìn chung không phù hợp với điều kiện tải trọng thay

đổi

Khoảng 4:1 đến 5:1 Một số phương

án thiết kế có thể đạt tỷ số vận hành ≥8:1

Lượng lỏng bị cuốn

Trở lực Trung bình Trung bình Cao hơn một chút

20%

Giá bảo dưỡng và

Khả năng tắc

Phạm vi ứng dụng

- Ứng dụng rộng rãi khi khoảng làm việc của đĩa không phải là tiêu chuẩn quyết định

- Môi trường có khả năng tắc nghẽn

và ăn mòn cao

- Ứng dụng rộng rãi khi khoảng làm việc của đĩa không phải là tiêu chuẩn quyết định

- Môi trường có khả năng tắc nghẽn và ăn mòn

cao

- Được sử dụng rộng rãi

- Khi khoảng làm việc tiêu chuẩn quyết định

PHẦN 5 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ CHÍNH

5.1 Phân tích lựa chọn công nghệ

Theo yêu cầu nhận sản phẩm ra là C≥2, nhận thấy có hai sơ đồ NNT nhận C≥2 đó là :

sơ đồ NNT hai bậc và sơ đồ NNT hai bậc có chu trình làm lạnh ngoài bằng propan và etan

để nhận C≥2

Đối với sơ đồ NNT một bậc có chu trình làm lạnh ngoài bằng propan và etan để nhận

C≥2 , có đặc điểm là vốn đầu tư ít, thiết bị đơn giản, hiệu suất tách etan cao (>98% etan), tác nhân làm lạnh là propan và etan có thể nhận trực tiếp từ nhà máy chế biến khí

Đối với sơ đồ NNT hai bậc có chu trình làm lạnh ngoài bằng propan và etan để nhận

C≥2, có đặc điểm là vốn đầu tư cao hơn so với sơ đồ một bậc, hiệu suất tách etan thấp hơn

sơ đồ một bậc (87% etan), nhưng tác nhân làm lạnh đa dạng hơn có thể làm lạnh bằng propan và etan hoặc propan và etylen, cả hai tác nhân này có thể nhận trực tiếp từ nhà máy chế biến khí, đảm bảo tính độc lập cao của nhà máy

Lựa chọn phân tích theo sơ đồ NNT hai bậc có chu trình làm lạnh ngoài bằng propan

và etan để nhận C ≥2 để tính toán và thiết kế.

Sơ đồ công nghệ chi tiết (bản A1 đính kèm)

 Nguyên lý hoạt động của sơ đồ NNT hai bậc có chu trình làm lạnh ngoài bằng propan và ethylene để nhận C≥2

Ta coi như đã làm ngọt khí và đã khử hấp thụ nước đạt hàm lượng nước ở điều kiện làm việc trước khi đưa vào quá trình chế biến khí bằng phương pháp NNT hai bậc có chu trình làm lạnh ngoài bằng propan và etan để nhận C≥2

Khi làm việc, tháp tách metan cần phải tuân theo các yêu cầu về sản phẩm như sau:

- Hàm lượng etan trong sản phẩm đỉnh tháp không quá 5% khối lượng so với tổng số hàm lượng etan trong nguyên liệu vào tháp

- Hàm lượng metan trong sản phẩm đáy tháp không quá 2% khối lượng so với hàm lượng etan trong sản phẩm đáy tháp

Tháp etan thường làm việc ở áp suất và nhiệt độ thấp cũng như tháp tách metan, nhưng khi đó nhiệt độ đỉnh tháp cao hơn nhiều khoảng 0 đến 100C, do hàm lượng metan không đáng kể trong nguyên liệu vào và do đó trong sản phẩm đỉnh tháp tách etan cũng có hàm lượng metan rất nhỏ (không quá 2% khối lượng) Yêu cầu khí sản phẩm: Hàm lượng propan trong sản phẩm đỉnh tháp không quá 2% khối lượng so với tổng số hàm lượng etan trong sản phẩm đỉnh tháp Hàm lượng etan trong sản phẩm đáy tháp không quá 2% khối lượng

so với hàm lượng propan trong sản phẩm đáy tháp

5.2 Phân tích lựa chọn thiết bị chính

Hầu hết các quá trình tách đều được thực hiện trong các tháp loại đĩa hoặc loại đệm Các yếu tố được đề cập dưới đây sẽ ảnh hưởng đến việc lựa chọn giữa hai loại tháp đĩa và tháp đệm Các yếu tố này chỉ thể hiện ở góc độ hiệu quả kinh tế thuần túy và từng các yếu

tố trên có thể không phải là yếu tố quyết định trong việc lựa chọn loại tháp và có thể không cần tính đến trong những trường hợp cụ thể Ví dụ, khi đề cập đến yếu tố phức tạp của cấu tạo tháp thì tháp loại đĩa nên được chọn (vì có cấu tạo đơn giản hơn) Trong khi đó, trong các nhà máy xử lý khí, thì tháp nhà khí metan lại thường là tháp loại đệm vì ở tháp này có cần một hoặc một vài thiết bị đun bay hơi trung gian Khảo sát chi tiết các mặt ưu điềm và nhược điểm của tháp loại đĩa và tháp loại đệm, các kết quả khảo sát được trình bày sau đây

5.2.1 Các yếu tố có lợi cho tháp đệm

 Khả năng ứng dụng để tách các hệ ở điều kiện áp suất chân không

Tháp loại đệm có trở lực nhỏ hơn nhiều so với tháp đĩa, diện tích mở của tháp đệm thưởng chiếm khoảng 50% diện tích tiết diện ngang của tháp, và trở lực do dòng lỏng trong tháp tạo ra thường tương đối nhỏ Trong tháp đệm hệ số bay hơi tương đối của cá cấu tử ở phần dưới của tháp sẽ cao hơn nhiều và vì vậy có thể giảm được chỉ số hồi lưu, giảm nhiệt độ sôi