Công nghệ sấy khô khí trong việc chế biến dầu khí thiên nhiên và khí dầu mỏ

Luận Văn: Công nghệ sấy khô khí trong việc chế biến dầu khí thiên nhiên và khí dầu mỏ

I.2.1 Sơ đồ nguyên lí sấy khô khí bằng phơng pháp hấp thụ 5

I.2.2 Các yếu tố ảnh hởng đến mức độ hấp thụ hơi nớc 5

I.2.3 Các thông số của quá trình 6

II Phân tích quá trình công nghệ với t cách là đối tợng của quá trình điều chỉnh tự động 7

II.1 Sơ đồ thông số của quá trình công nghệ 7

II.2 Mô hình toán học của sự điều chỉnh hàm ẩm của khí khô 8

II.3 Mô hình toán học của sự điều chỉnh mức chất lỏng trongtháp hấp thụ 11

III Đo và điều chỉnh tự động qúa trình công nghệ sấy khô khí 14

III.1 Điều chỉnh hàm ẩm của khí khô 15

III.2 Điều chỉnh mức chất lỏng trong tháp hấp thụ 15

III.3 Điều chỉnh nhiệt độ làm việc của tháp hấp thụ 16

III.4 Điều chỉnh áp suất làm việc của tháp hấp thụ 16

III.5 Điều chỉnh nhiệt độ nạp liệu 16

III.6 Điều chỉnh bằng máy tính 17

IV Thiết lập hệ tự động điều chỉnh quá trình công nghệ 18

V Các thiết bị đo lờng 20

V.1 Dụng cụ đo nhiệt độ 20

V.2 Dụng cụ đo mức 20

V.3 Dụng cụ đo lu lợng 21

V.4 Dụng cụ đo hàm ẩm 21

V.5 Dụng cụ đo áp suất 21

Kết luận 23

Tài liệu tham khảo 24

Lời mở đầu

Đất nớc ta đang trên con đờng con đờng công nghiệp hóa, hiện đạihóa Ngày nay, tất cả các nhà máy và xí nghiệp thuộc các nghànhkinh tế quốc dân, trong đó có nghành dầu khí, đều đã và đang đợctrang bị các hệ thống tự động ở mức cao Những hiệu quả mà tự độnghóa mang lại cho sự phát triển của kinh tế đất nớc là không thể phủnhận Đó là: nâng cao chất lợng sản phẩm, nâng cao năng suất laođộng, giảm chi phí sản xuất, cải thiện điều kiện làm việc cho côngnhân viên nhất là ở những công đoạn có tính độc hại cao

Các hệ thống tự động hoá giúp chúng ta theo dõi, giám sát các quitrình công nghệ thông qua các chỉ số của hệ thống đo lờng kiểm tra.Các hệ thống tự động hóa thực hiện chức năng điều chỉnh các thôngsố công nghệ nói riêng và điều khiển toàn bộ qui trình công nghệ nói

chung Hệ thống tự động hóa bảo đảm cho qui trình công nghệ xảy ratrong điều kiện cần thiết và bảo đảm nhịp độ sản xuất mong muốncủa từng công đoạn trong qui trình công nghệ Chất lợng của sảnphẩm và năng suất lao động của các phân xởng, của từng nhà máy,xí nghiệp phụ thuộc rất lớn vào chất lợng làm việc của các hệ thốngtự động hóa này.

ở nớc ta, dầu khí đã đợc phát hiện từ những năm đầu thập kỉ 70.Tuy nhiên, phải đến năm 1986, tấn dầu đầu tiên mới đợc khai thác tạimỏ dầu Bạch Hổ Kể từ đó đến nay, sản lợng dầu khí chúng ta khaithác đợc ngày một nhiều thêm Riêng năm 1997, chúng ta đã khaithác đợc 10,1 triệu tấn dầu Sự đóng góp của nghành dầu khí đối vớisự phát triển kinh tế đất nớc trong thời gian vừa qua là rất có ý nghĩa,nhng điều này sẽ trở lên kém hiệu quả nếu thiếu đi các hệ thống tựđộng hóa Vai trò của các hệ thống tự động hóa là đặc biệt quantrọng trong lĩnh vực chế biến dầu khí.

Tiểu luận này thực hiện việc tự động hóa quá trình sấy khô khí.Đây là một công đoạn đầu tiên, không thể thiếu trong việc chế biếnkhí thiên nhiên và khí dầu mỏ

Em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Minh Hệ, ngời thầy đã tậntình truyền đạt cho chúng em những kiến thức cơ sở cần thiết củamôn học tự động hóa các quá trình công nghệ hóa học-thực phẩm.

I Quá trình công nghệ sấy khô khí:

I.1 Mục đích của sấy khô khí:

Khí đồng hành và khí thiên nhiên khai thác từ lòng đất thờng bãohoà hơi nớc và hàm lợng hơi nớc phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ vàthành phần hoá học của khí Mỗi một giá trị nhiệt độ, áp suất sẽ tơngứng với một hàm lợng hơi nớc cực đại có thể có nhất định Hàm lợngẩm tơng ứng với hơi nớc bão hoà tối đa đợc gọi là hàm lợng ẩm cânbằng.

Hàm lợng hơi nớc trong khí đồng hành và khí thiên nhiên cần phảibiết vì hơi nớc có thể bị ngng tụ trong các hệ thống công nghệ xử líkhí sau này, kết quả sẽ tạo các điều kiện hình thành các hiđrat (cáctinh thể rắn) dễ đóng cục chiếm các khoảng không trong các ống dẫnhay các thiết bị, phá vỡ điều kiện làm việc bình thờng đối với các dâychuyền khai thác, vận chuyển và chế biến khí Ngoài ra, sự có mặtcủa hơi nớc và các hợp chất chứa lu huỳnh (H2S và các chất khác) sẽlà tiền đề thúc đẩy sự ăn mòn kim loại, làm giảm tuổi thọ và thời giansử dụng của các thiết bị, công trình.

I.2 Phơng pháp sấy khô khí:

Khí đợc sấy khô với mục đích tách hơi nớc và tạo ra cho khí cónhiệt độ điểm sơng theo nớc thấp hơn so với nhiệt độ cực tiểu mà tạiđó khí đợc vận chuyển hay chế biến Trong công nghiệp, một trongnhững phơng pháp sấy khô khí hay đợc dùng là hấp thụ bằng cácchất lỏng hút ẩm Phơng pháp này đợc sử dụng rộng rãi để sấy khôkhí tại các công trình ống dẫn khí cũng nh tại trong các nhà máy chếbiến khí Chất hấp thụ-sấy khô là những dung dịch nớc đậm đặc củamono-, di- và trietylglycol.

Sự sấy khô khí bằng các chất hấp thụ này dựa trên sự khác biệt vềáp suất riêng phần của hơi nớc trong khí và trong chất hấp thụ Giá trịđiểm sơng của khí, về nguyên tắc đợc đảm bảo bằng dung dịch củacác glycol.

Lợng ẩm có thể đợc tách ra từ khí bằng các chất hấp thụ-sấy khôđợc xác định bằng khả năng hút ẩm của các chất hấp thụ, nhiệt độ vàáp suất, sự tiếp xúc giữa khí với chất hấp thụ, khối lợng chất hấp thụtuần hoàn trong hệ và độ nhớt của nó.

I.2.1 Sơ đồ nguyên lí công nghệ sấy khô khí bằng phơng pháp hấpthụ:

Trong sơ đồ trên, khí ẩm (I) đợc đa vào phần dới của thiết bị hấpthụ 1, còn glycol đậm đặc thì đợc đa vào đĩa trên cùng của thiết bịnày Khí sấy khô (II) sẽ đi ra từ phía trên của thiết bị, còn glycol đãhấp thụ nớc thì đi ra ở phía dới Khí đã sấy khô, sau đó, đợc đa đi sửdụng, còn glycol tiếp tục đợc đun nóng trong thiết bị trao đổi nhiệt 2và đi vào hệ thống thổi khí 3, tại đây sẽ tách phần hyđrocacbon đã bịhấp thụ Tiếp theo glycol đợc đun nóng trong thiết bị trao đổi nhiệt 4và thiết bị giải hấp 5 Từ phía trên của thiết bị 5, sẽ lấy ra hơi n ớc (IV),phần còn lại ở phía dới chính là glycol tái sinh đợc làm nguội trongthiết bị trao đổi nhiệt 4, 2 và sinh hàn 7, đi vào bồn chứa 8, từ đây sẽđi vào thiết bị hấp thụ 1 (bồn chứa 8 sẽ đợc bổ sung một lợng glycolmới khi cần thiết).

I.2.2 Các yếu tố ảnh hởng đến mức độ hấp thụ hơi nớc:

Để đặc trng cho lợng hơi nớc đợc hấp thụ trên lợng hơi nớc có trongkhí ẩm, ngời ta đa ra đại lợng hệ số tách hay còn gọi là hiệu quả hấpthụ Ngời ta nhận thấy rằng khi tăng nhiệt độ và giảm áp suất của quátrình hấp thụ sẽ làm giảm hiệu quả hấp thụ Còn khi tăng lu lợng riêngcủa dung môi sẽ làm tăng hiệu quả hấp thụ.

ảnh hởng lớn nhất đến hiệu quả hấp thụ là số đĩa lí thuyết của tháphấp thụ: Khi tăng số đĩa lí thuyết lên 6-8 đĩa (tơng ứng với khoảng 30đĩa thực) thì lu lợng riêng của dung môi sẽ giảm khi các điều kiệnkhác không đổi, điều này dẫn đến việc giảm chi phí vận hành Nhngnếu số đĩa lí thuyết tăng lên nữa thì ảnh hởng của nó đến hiệu quảquá trình là không rõ rệt.

Hiệu quả hấp thụ còn phụ thuộc vào tỉ trọng và khối lợng phân tửcủa dung môi; nếu tỉ trọng và khối lợng riêng của dung môi thay đổi,nhng tỉ số giữa chúng là không đổi thì hệ số hấp thụ cũng không đổi.Sử dụng dung môi có khối lợng phân tử nhỏ sẽ làm tăng khả nănghấp thụ hơi nớc, đồng thời làm tăng hiệu quả của quá trình.

I.2.3 Các thông số của quá trình:

ở các thiết bị công nghiệp, sự sấy khô khí đến điểm sơng cân bằnglà không thực hiện đợc vì khí chỉ tiếp xúc với chất hấp thụ (glycol) cónồng độ đã tính toán tại đĩa trên cùng, còn ở các mâm dới nồng độcác glycol sẽ giảm đi do sự hấp thụ nớc Do đó, trong các thiết bịcông nghiệp, điểm sơng thực tế của khí sấy sẽ cao hơn từ 5 đến 110Cso với điểm sơng cân bằng Thông thờng sự sấy khí bằng các glycolđợc thực hiện đến điểm sơng không thấp hơn –250C đến –300C.Muốn sấy triệt để hơn thì cần phải dùng dung dịch glycol có nồng độđậm đặc hơn Khi đó, sẽ phát sinh thêm khó khăn do có sự gia tăngsự tiêu hao glycol cùng với khí khô.

Nhiệt độ giới hạn trên của quá trình sấy hấp thụ đợc xác định bằngsự tiêu hao cho phép do bay hơi và trong thực tế, nhiệt độ này vàokhoảng 380C Còn nhiệt độ giới hạn dới phụ thuộc vào sự giảm khảnăng hút ẩm của chất hấp thụ gây ra bởi sự tăng độ nhớt của glycol.Nhiệt độ cực tiểu tiếp xúc với glycol vào khoảng 100C.

Khi hàm lợng nớc trong chất hấp thụ tăng thì ảnh hởng của sự tiêuhao chất hấp thụ đến độ hạ điểm sơng sẽ giảm ảnh hởng của sự tiêuhao chất hấp thụ đến mức độ sấy khí giảm khi đạt đến giá trị nhấtđịnh nào đó Nồng độ glycol là yếu tố ảnh hởng mạnh nhất đến điểmsơng của khí Khi tăng nồng độ của glycol thì độ hạ điểm sơng sẽmạnh hơn so với tăng tiêu hao tác nhân sấy

Nồng độ glycol trong chất hấp thụ đợc xác định bằng nhiệt độ táisinh nó ở nhiệt độ 164,40C, DEG bị phân huỷ một phần, còn ở206,70C, TEG cũng sẽ phân huỷ Nếu tái sinh glycol ở áp suất khíquyển thì thực tế sẽ không thu đợc dung dịch có nồng độ lớn hơn 97-98% khối lợng, vì nhiệt độ ở phía dới thiết bị giải hấp lớn hơn các nhiệtđộ nêu trên nên chúng sẽ bị phân hủy Do vậy, glycol thờng đợc táisinh trong chân không

* Tại tháp hấp thụ 1:

- Nhiệt độ tiến hành: 200C.

- áp suất tiến hành: 2- 6 MPa.

- Lu lợng riêng chất hấp thụ: 30- 35 lít TEG/1 kg nớc.- Nồng độ chất hấp thụ tái sinh: 99,0-99,5% kl (TEG).- Điểm sơng của khí: -180C đến -250C

* Tại tháp giải hấp 5:

- Nhiệt độ đáy tháp giải hấp: 190- 2040C.- áp suất tiến hành: 10- 13 kPa.

W

Hình 2: Sơ đồ thông số của quá trình hấp thụ khí ẩm ở sơ đồ trên:

- Các tác động điều chỉnh : V, L,W,G.

- Các tác động nhiễu : w1.

- Các thông số đặc trng của quá trình: w2, H.

Trong đó:

V : Thể tích khí ẩm đi vào tháp hấp thụ(m3/h).

L : Lu lợng chất hấp thụ (glycol) tái sinh (m3/h).

G : Thể tích khí khô đi ra ở đỉnh tháp hấp thụ (m3/h).

W : Dung dịch glycol đã bão hoà hơi nớc (m3/h).1

w : Hàm ẩm của khí cần sấy khô (kg/m3).2

w : Hàm ẩm của khí khô (kg/m3).

H : Mức chất lỏng trong tháp hấp thụ (m).

II.2 Mô hình toán học của quá trình điều chỉnh hàm ẩm của khí khô: Tháp hấp thụ đợc sử dụng để sấy khô khí là tháp đệm Nh chúng tađã biết, bản chất vật lí của quá trình hấp thụ là do sự hình thành cânbằng pha giữa hai pha khí-lỏng do sự khuếch tán của các chất từ phanọ sang pha kia Động lực của quá trình khuếch tán là sự chênh lệcháp suất riêng phần giữa các cấu tử trong pha lỏng và pha khí Nếu áp

suất riêng phần của các cấu tử trong pha khí lớn hơn trong pha lỏngthì sẽ xảy ra quá trình hấp thụ (chất lỏng hấp thụ khí) Trong thực tế,động lực quá trình khuếch tán trong tính toán đợc tính qua nồng độcác cấu tử (vì áp suất riêng phần tỉ lệ thuận với nồng độ).

Trong khi đó, năng suất làm việc của tháp đệm đợc xác định bằngtốc độ khí đi qua tiết diện tự do của tháp; tốc độ khí phụ thuộc vàokhả năng cho phép lớn nhất của khí qua tháp Năng suất sẽ lớn nhấtkhi lợng khí cho phép đi qua tháp lớn nhất hay đạt trị số tới hạn.

Trong tháp đệm, chất lỏng hấp thụ đi vào tháp ở phía trên, còn khíẩm men theo bề mặt của đệm đi lên Trạng thái này xảy ra khi vậntốc khí rất bé Với sự tăng vận tốc khí, do lực ma sát phần của phimgiữa hai pha bị giảm đi và một lớp bọt xuất hiện Nếu tăng vận tốctiếp, chất lỏng sẽ bị kéo lên Trạng thái này đợc gọi là điểm sặc và nóbiểu diễn giới hạn phụ tải trên Tuỳ thuộc vào tỷ số của vận tốc phakhí (v) với vận tốc điểm sặc (vs), có thể chia ra các phạm vi sau: - v/vs 0,45: phạm vi màng Bề mặt tiếp xúc pha trong phạm vi nàycó thể coi bằng bề mặt của đệm đem dùng.

- v/vs 0,45: điểm phanh ở trên bề mặt phim, có xoáy tạo thànhdo ma sát và đó là nguyên nhân dẫn tới kéo một phần chất lỏng.

Việc xây dựng mô hình toán học của quá trình điều chỉnh tự độngdựa trên cơ sở thừa nhận lớp đệm là một hệ đồng thể trong đó ngời taquan sát một phân tố đủ lớn với sự không đồng nhất của lớp đệm,mặt khác phân tố nghiên cứu cũng đủ bé so với quy mô biến đổi nồngđộ và nhiệt độ.

G, w2

L,

V, w1

W ,xW

Hình 3: Sơ đồ dòng ra và dòng vào tháp hấp thụ Các giả thiết:

- Quá trình xảy ra trong điều kiện đẳng nhiệt.

- Thể tích của hơi nớc bị tách ra khỏi khí ẩm là không đáng kể - Chất hấp thụ (glycol) chỉ hấp thụ hơi nớc.

- Hệ số khuếch tán không thay đổi trong toàn bộ không gian tháp - Vận tốc dòng không đổi đối với tất cả các tiết diện vuông góc với

Khi đó, áp dụng phơng trình bảo toàn vật chất cho đối tợng trongthời gian d , ta có:

v Vận tốc của pha khí trong tháp đệm.

Trong trờng hợp này, nếu chỉ chú ý đến khuếch tán dọc (theo chiềucao của tháp hấp thụ), phơng trình (1) sẽ có dạng:

   2

 ở đây:

DL: Hệ số trộn dọc.

Viết phơng trình (2) cho cả chất khí và chất lỏng, ta có:

  *4

C Nồng độ hơi nớc trong pha lỏng.

l : Chiều cao của tháp hấp thụ.

:, F

V Thể tích lỏng trong một đơn vị thể tích đệm V FVFL,V,vs,   8

F Diện tích tiếp xúc pha.

:, FG

GF 

 Hệ số cấp khối khí-lỏng và lỏng-khí.

GF GFvkhi,Px  9

FG FGvkhi,Px  10 Điều kiện biên của (*) là:

ở l 0:  1;20  11

Bên cạnh đó, ta cũng có:

 13

 1718

tHl 

C2lHxW  18

 Trong đó:

M0: Khối lợng phân tử của chất hấp thụ (glicol).

 : Nồng độ của dung môi glicol trong dung dịch chất hấp thụ táisinh.

Ht : Chiều cao của tháp hấp thụ (m)

xW : Nồng độ của nớc trong dung dịch bão hoà đi ra ở đáy tháp Ta nhận thấy hệ phơng trình (*), và các phơng trình từ (5) đến (16)ở trên là hệ phi tuyến Giải hệ phơng trình trên bằng các phơng phápthông thờng là rất khó khăn, tốt hơn hết là giải gần đúng bằng máytính số Kết quả là chúng ta sẽ thu đợc các hàm C1l, và C2l,.Từ đó, chúng ta có thể xác định đợc sự biến thiên nồng độ của nớctrong pha khí và pha lỏng dọc theo chiều cao của tháp đệm Đồngthời, cũng nhờ vậy, chúng ta sẽ xác định gần đúng đợc hàm truyềncủa đối tợng cần điều chỉnh (ở đây, hàm truyền thờng có dạng rấtphức tạp).

II.3 Mô hình toán học của sự điều chỉnh mức chất lỏng trong tháphấp thụ:

Gọi H là mức chất lỏng trong tháp (m) S là diện tích thiết diện của tháp (m2)

Viết phơng trình vi phân dựa theo định luật bảo toàn năng lợngtheo thời gian dt, ta có:

*dHLVw1 w2 Wdt

Trong đó, W là lợng dung môi bão hoà đi ra khỏi đáy tháp hấp thụ(m3/h).

Từ (19), ta có:

   20

ở trạng thái cân bằng thì:

 210L0 V0 w10  w20 W0

Phơng trình (20) là phơng trình tuyến tính Từ phơng trình (14), tasuy ra:

 1 2  22

Thế (22) vào (20), ta có:

 231

Phơng trình (23) là phơng trình tuyến tính Ta có: 241

Chia cả hai vế cho S*H0, ta có:

 25*

 

Gọi là các độ mở van Ta có: L C1*  26

W C2*  27

C1,C2:const Thế (26) và (27 vào (25), ta có:

 28*

 

*1 1 *  30*

Srdm 

 31* 0 2



3.1 Xét ảnh hởng của tác động đầu vào x1: Ta có:

 35* 1

1 xmdtdy

Khi tác động đầu vào    

x1 1 1 1 , ta có:

    211

2 xmdtdy

Sử dụng phép biến đổi Laplace cho (37), ta có hàm truyền của tácđộng đầu vào x2 là:

  2  38

W 

Khi tác động đầu vào    

x2 1 2 1, ta có:

    222

x2

 tmty  1*

1

t y

t

Hình 5

III Đo và điều chỉnh tự động quá trình công nghệ sấy khô khí:

Sơ đồ đo và điều chỉnh các thông số của quá trình hấp thụ đợc sửdụng rất phổ biến vì nó đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn Sự ổn định quátrình đợc thực hiện bằng cách loại trừ các tác dụng kích thích chủ yếu,làm giảm mối liên hệ bên trong và bên ngoài hệ thống điều khiển tựđộng

Dựa vào sơ đồ thông số của quá trình công nghệ, ta nhận thấy cácthông số cần điều chỉnh là:

- Hàm ẩm của khí khô thành phẩm.- Mức chất lỏng trong tháp hấp thụ.

Ngoài ra, chúng ta còn phải ổn định các thông số khác nh nhiệt độvà áp suất làm việc của tháp, nhiệt độ dòng khí ẩm nguyên liệu

Cũng theo sơ đồ thông số của quá trình công nghệ, sự thay đổihàm ẩm của khí ẩm nguyên liệu là kích thích chính khiến quá trìnhhấp thụ thờng không ổn định, làm cho hệ điều chỉnh phức tạp Đểđiều chỉnh các thông số nêu trên, ngời ta sử dụng hai nguyên tắc:

- Theo độ sai lệch của các đại lợng điều chỉnh.- Theo tác dụng kích thích.

Điều này cho phép hiệu chỉnh tự động hoạt động đồng thời của cácbộ điều chỉnh có kể đến tác dụng kích thích (nhiệt độ, áp suất, lu l-ợng, hàm ẩm của khí ẩm) và làm giảm sự chậm trễ của quá trình điềukhiển.

III.1 Điều chỉnh hàm ẩm của khí khô:

Trong quá trình hấp thụ, để đo hàm ẩm của khí cần sấy khô và khíkhô, ngời ta dùng các ẩm kế tóc bằng điện.

Nh chúng ta đã biết, mục đích của quá trình hấp thụ là nhằm đểtách một lợng nớc nhất định ra khỏi khí ẩm, làm cho khí chứa lợnghơi nớc tối thiểu, cần thiết cho các quá trình chế biến khí sau này Vìvậy, chất lợng của khí khô thu đợc cần phải tốt Muốn vậy, hàm ẩmcủa nó phải ổn định

Để ổn định hàm ẩm của khí khô, ngời ta có thể tác động vào cácyếu tố: lợng khí ẩm đi vào tháp, lợng khí khô đi ra khỏi tháp, lợng vànồng độ chất hấp thụ tái sinh hoặc nhiệt độ làm việc của tháp hấpthụ Thờng thì đối với một dây chuyền công nghệ, ngời ta cố địnhnồng độ của chất hấp thụ Tuỳ thuộc vào chế độ vận hành của tháp,ngời ta tác động vào lu lợng các dòng vào, dòng ra tháp hay nhiệt độ