thiết kế công nghệ ngưng tụ nhiệt độ thấp chế biến khí đồng hành

Cân bằng pha của quá trình ngng tụ.Quá trình làm lạnh khí có thể coi là quá trình làm lạmh đẳng áp nếu bỏ qua một vài áp suất khí quyển chuyển động trong đờng ống và thiết bị công nghệ

Mở đầu

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, thì năng lợng

là một nhu cầu rất cấp bách mà nền kinh tế nào cũng cần Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỷ thuật thì năg lợng đợc khai thác từ nhiều nguồn khác nhau, nhng trong đó nguồn năng lợng chủ yếu hiện nay vẫn là đi từ dầu

mỏ và một nguồn năng lợng nữa cũng rất quan trọng là năng lợng từ khí

Khí tự nhiên (KTN) và khí đồng hành (KĐH) đợc khai thác từ lòng

đất Chúng là hỗn hợp của hydrocacbon trong dảy đồng đẳng của metan, thành phần của các cấu tử chính và tạp chất thay đổi tuỳ thuộc vào các mỏ khí khác nhau

KTN và KĐH làm nguyên liệu để sản xuất etan, propan và các hợp chất khác, nhiên liệu cho động cơ đốt trong có chỉ số octan cao, và đặc biệt

là khí hoá lỏng LPG và LNG và các hợp chất hydrocacbon khác

Trong KTN và KĐH các cấu tử chính là khí metan, etan, và propan, butan…

và các hợp chất hydrocacbon nặng, với hàm lợng nặng đáng kể Ngoài ra trong KTN và KĐH còn có một số chất khồg mong muốn nh H2O, H2S, và các hợp chất lu huỳnh , CO2,heli

Vì vậy muốn sử dụng đợc KTN và KĐH, chúng ta phải tách hỗn hợp chúng thành những cấu tử, hay hỗn hợp khí độc lập, nhằm loại các hợp chất

có hại, tiết kiệm nhiên liệu, và giữ lại các cấu tử khí có lợi Nhằm phục vụ tốt những đòi hỏi kỷ thuật mà các nghành công nghiệp khác yêu cầu.Một trong những phơng pháp tách khí có hiệu quả nhất đó là phơng pháp “chế biến khí bằng phơng pháp ngng tụ nhiệt độ thấp”

Phần I : tổng quan

I.Giới thiệu về khí tự nhiên và khí đồng hành.

a Thành phần và đặc tính của khí tự nhiên và khí đồng hành

Những cấu tử cơ bản của khí tự nhiên (KTN) và khí đồng hành (KĐH) là: Metan, Etan, Butan KTN đợc khai thác từ các mỏ khí, Còn KĐH đợc khai thác từ các mỏ dầu đồng thời với quá trình khai thác dầu mỏ Trong khí tự nhiên thành phần chủ yếu là Metan ( chiếm 98% theo thể tích) Các mỏ khí

tự nhiên là các túi khí nằm sâu đới lòng đất

KĐH nhận đợc từ các mỏ dầu cùng với quá trình khai thác dầu mỏ Trong thành phần của KĐH ngoài cấu tử chính là Metan còn có Etan, propan, butan và các hydrocacbon nặng với hàm lợng đáng kể Thành phần của cấu tử cơ bản trong khí thay đổi trong một phạm vi khá rộng tuỳ theo mỏ dầu khai thác

Ngoài ra trong thàh phần KTN và KĐH còn có H2O, H2S cùng với các hợp chất chứa S, CO2, N2, và heli

Ngời ta còn phân loại khí theo hàm lợng hydrocacbon từ propan trở lên Khí giàu Propan, Butan và các hydricacbon nặng ( trên 150g/cm3) đợc gọi là khí béo (hoặc là khí giàu) Từ khí này ngời ta chế biến đợc xăng, khí hoá lỏng (LPG) và các hydro cho công nghệ tổng hợp hữu cơ Còn khí chứa

ít hydrocacbon nặng (từ propan trở lên, dới mức 50g/cm3) gọi là khí khô (hoặc là khí gầy), sử dụng làm nguyên liệu công nghệ tổng hợp hữu cơ, nguyên liệu cho sản xuất phân đạm, sản xuất Etylen, axetylen, Etanol,…

Bảng 1: Thành phần KTN và KĐH khai thác từ một vài mỏ của CHLB Nga (% thể tích)

Bạch hổ Đại hùng Rồng Tiền hải Rồng tự do

tử từ C2 trở lên đã chiếm phần đáng kể trong thành phần khí Điều đó rất quan trọng trong việc lựa chọn công nghệ chế biến thích hợp, sử dụng nguồn nguyên liệu và sản phẩm nhận đợc

b Chế biến KTN, KĐH trên thế giới và ở Việt Nam.

KTN và KĐH đợc khai thác từ trong lòng đất là hỗn hợp của dảy Metan gồm có: Metan, Etan, Propan, Butan Ngoài ra trong thành phần của khí còn có:…

He, N2, CO2, H2S …

Metan tan là thành phần chính của KTN, đợc sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu cho lò nung và lò hơi Etan, Propan, Butan và hydrocacbon nặng dùng chủ yếu cho công nghiệp hữu cơ Vì vậy ở CHLB Nga và các nớc công nghiệp phát triển, việc sử dụng hợp lý các hydocacbon có ý nghĩa rất lớn

KTN và KĐH là nguồn cung cấp nguyên liệu quan trọng cho công nghiệp hoá học và hoá dầu Ví dụ, ở Mỹ từ Etan đã chế biến 40% Etylen phục vụ cho công nghệ nhựa tổng hợp, Oxit Etylen, chất hoạt động bề mặt,

nhiều sản phẩm và bán sản phẫm hoá học khác ở Mỹ do sử dụng Etylen với hiệu quả cao nên việc sản xuất Etan đã tăng 24ữ31% ở Mỹ và Canada, để vận chuyển Etan ngời ta dã xây dựng những đờng ống dẫn khổng lồ ở các nớc Tây Âu, sau khi tìm ra các mỏ KTN lớn đã tăng cờng sự quan tâm đến các nguyên liệu nhiệt phân nhẹ, bởi vì sử dụng Etan trong công nghiệp hoá học và công nghiệp hoá dầu có hiệu quả và có sự cân bằng giữa sản xuất và nhu cầu Etylen Mặt khác, Butadien và các sản phẩm phụ khác của quá trình nhiệt phân xăng cũng là các nguyên liệu rất cần thiết

Việc sử dụng Etan cho phép giảm đầu t vào sản xuất Etylen, rút ngắn thời hạn xây dựng các dây chuyền công nghệ hoá học và hoá dầu khép kín (Etylen-Polyetylen, etylen-rợc etylic, ) bởi vì khi nhiệt phân Etan cho…hiệu suất sản phẩm phụ tối thiểu (hiệu suất Etylen từ Etan là 70%, từ xăng là 27%, từ gazolin là 15%)

KTN và KĐH không chỉ là nhiên liệu và nguyên liệu để sản xuất Etan, propan và các hợp chất khác Khi làm sạch và chế biến khí ngời ta còn nhận đợc một lợng lớn lu huỳnh, heli và một số sản phẩm vô cơ khác cho nhiều ngành kinh tế quốc dân

ở Việt nam cho đế nay đang khai thác 6 mỏ dầu và một mỏ khí, hình hành 4 cụm khai thác dầu quan trọng:

- Cụm thứ nhất nằm ở vùng đồng bằng Bắc Bộ, gồm nhiều mỏ khí nhỏ, trong đó có Tiền Hải-“C” trử lợng khoảng 250 tỷ m3 khí, đã khai thác từ tháng 12/1981 với trên 450 triệu m3 khí phục vụ công nghiệp địa phơng 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 vùng biển Cửu Long, gồm chuổi 4 mỏ dầu: Bạch

Hổ, Rồng, Rạng Đông, Rubi, là cùng quan trọng hiện nay cung cấp trên 96% sản lợng dầu toàn quốc

- Cụm mỏ thứ 3 ở vùng biển nam Côn Sơn, gồm mỏ dầu Đại Hùng đang khai thác và mỏ khí đã phát hiện ở khu vực xung quanh là: Lan Tây, Lan Đỏ, Hải Thạch, Mộc Tinh và mỏ dầu khí Rồng Đôi Tây đang chuẩn bị đa vào khai thác

- Cụm mỏ thứ 4 tại thềm lục đia Tây Nam bao gồm mỏ: Bunga, Cái Nớc đang khai thác dầu, mỏ Bunga Orkid, BungPakma, Bunga Raya tại khu vực thoả thuận thơng mại Việt nam-Malaysia sẽ làm khu khai thác và cung cấp khí lớn thứ 2 và sẽ là cơ sở đảm bảo sự phát triển khu công nghiệp dầu khí ở Cà Mau-Cần Thơ

Kekwa-Với tiềm năng về khí khá phong phú nh vậy, nớc 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 giá này, tơng 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 nớc

II.Các phơng pháp chuẫn bị chế biến khí.

Khí tự nhiên (KTN) và khí đồng hành (KĐH) là những tài nguyên rất

có gía trị để sản xuất nhiên liệu và nguyên liệu cho tổng hợp hoá dầu Các sản phẩm chính của quá trình chế biến các khí đó là: xăng, khí hoá lỏng , và các khí khô, các hydricacbon: propan, izo-bun, n-butan, pentan Chế biến KTN và KĐH đợc thực thiện ở các nhà máy đặt ngay tại xí nghiệp khai thác, chế biến KTN và KĐH

Khí sau khi khai thác ngoài các cấu tử chính là các hydrocacbon parafin còn chứa các tạp chất nh: bụi, hơi nớc, khí trơ, CO2, H2S và các hợp chất hữu cơ của lu huỳnh Tớc khi đa vào chế biến, khí cần phải qua công

đoạn chuẩn bị, tại đó tiến hành loại bỏ các tạp chất kể trên bằng quá trình tách bụi, tách hơi nớc và khí axít

Có rất nhiều các phơng pháp loại bỏ cơ học nh:

- Làm sạch khí bằng phơng pháp lắng

- Đối với phơng pháp làm ớt thì khí làm nguội bão hào hơi nớc nên một số trờng hợp không dùng.

- Đối với phơng pháp điện trờng là có u điểm hơn cả:

+Độ sạch cao: 90-99%

+Năng lợng tiêu hao ít

+Trở lực không quá 3-5 mm cột nớc

+Tiến hành ở nhiệt độ cao, trong môi trờng ăn mòn hoá học

+Có thể tự động hoá và cơ khí hoá hoàn toàn

+Nhng cũng có nhợc điểm là tiền chi phí cao và tiêu hao điện năng lớn

Sự có mặt của nớc trong khí có thể tạo hydrat, cản trở quá trình vận hành của các thiết bị trong quá trình chế biến khí ( nh bơm, quạt, máy nén ) Để hạn chế tác hại của hiện t… ợng này, khí cần đợc dehydrat bằng cách sấy khí hoặc trộn thêm vào khí hoặc trộn thêm vào khí tác nhân ức chế quá trình tạo hydrat

Mục đích của quá trình sấy khí hay dùng chất ức chế tạo hydrat là tách bớt lợng hơi nớc và tạo ra cho khí có nhiệt độ điểm sơng theo nớc thấp hơn

so với nhiệt độ cực tiểu mà tại đó khí đợc vận chuyển hay chế biến

Có nhiều phơng pháp để sấy khí:

- Sấy khí bằng phơng pháp hấp thụ

- Sấy khí bằng phơng pháp hấp phụ

- Sử dụng chất ức chế quá trình tạo hydrat

Để làm sạch khí khỏi H2S, CO2 và các hợp chất hữu cơ chứa lu huỳnh ta ờng sử dụng các dung môi hữu cơ sau:

th Làm sạch bằng dung môi Alknol amin

- Làm sạch bằng dung môi vật lý và dung môi tổng hợp

III Cơ sở hoá lý

1 Phơng trình trạng thái của hydrocacbon.

Các tín chất vật lý của KTN và KĐH phụ thuộc vào các thông số của hổn hợp và thành phần hoá học của nó Thành phần của hệ nhiều cấu tử có thể biểu diễn bằng nồng độ phần khối lợng (xi,), theo phần mol (xi), hoặc theo thể tích (vi) Nh vậy nếu gọi gi là khối lợng của cấu tử thứ i trong hổn hợp thì nồng độ phần khối lựợng của cấu tử i đợc biểu diển bằng biểu thức sau:

Xi = gi / ∑ gi (1)

Tơng tự, n i là số mol của cấu tử i trong hổn hợp khí thì nồng độ phần

mol của cấu tử thứ i sẻ đợc biểu diển bằng biểu thức:

Xi = ni / ∑ ni (2)

Vi là thể tích cấu tử thứ i trong hỗn hợp khí thì nồng độ phần mol của cấu

tử phần mol của cấu tử thứ i đợc biểu diển bằng biểu thức sau:

vi = Vi / ∑ Vi (3)

Giữa các nồng độ có quan hệ với nhau và có thể tính chuyển đổi từ nồng độ này sang nồng độ khác.

Khi tính toán quá trình chế biến khí, cần thiết phải xác định tính chất nhiệt động của các chất và hỗn hợp của chúng nh entapi, entropi, tỷ trọng, fugat

Để xác định các đại lợng trên, ngời ta sử dụng phơng trình trạng thái xác định quan hệ giữa nhiệt độ, áp suất và thể tích của hệ

Với hệ khí lý tởng chúng ta có phơng trình trạng thái:

PV = nRT (4)

Tính chất nhiệt động của KTN, KĐH và các cấu tử của chúng rất khác với khí lý tởng, đặc biệt ở nhiệt độ thấp và áp suất cao Vì vậy không thể sử dụng phơng thình trạng thái khí lý tởng để xác định các tính chất của chúng

Do đó, có rất nhiều phơng trình trạng thái mô tả hệ khí thực

- Phơng trình hệ Van der Waals:

(p + a/v2) (v - b) = RT (5)Trong đó: a,b là các hằng số tơng quan; v là thể tích mol

- Phơng trình Benedict – Webb – Rubin (BWR): Phơng trình có chứa 8 hằng số:

P = RTρ = ( B0RT – A0 – C0/T2).ρ2 + (bRT – a ).ρ3 + aαρ3 + (cρ3/T2).(1 + γρ2).e-γρ2 (6)

Trong đó: A0, B0, C0, a, b, c, α và γ là các hằn số quan hệ;

P là áp suất; T là nhiệt độ tuyệt đối; ρ là tỷ trọng mol

- Phơng trình Redlich – Kwong (RK):

) (

5 ,

0 v v b T

a b

v

RT P

.

b v b b v v

T a b

v

RT P

− + +

Các hằng số a, b là hàm của nhiệt độ tới hạn Tc , áp suất tới hạn Pc và thừa

số ω gọi là thứa số acentric Thừa số ω đợc xác định từ phơng trình sau:

ω = - log Pr – 1 (9)trong đó : Pr = P* / Pc (10)

P* là áp suất hơi ở T = 0,7 Tc; Pc là áp suất tới hạn; Tc là nhiệt độ tới hạn

Thừa số ω đợc sử dụng phổ biến nh một công cụ để hiệu chỉnh sự sai lệch trong phơng trình trạng thái khí thực

Ngời ta còn đa ra thông số hiệu chỉnh z và phơng trình trạng thái có dạng đơn giản:

PV = z RT (11)

Trong đó z là hàm số của các thông số của các phơng trình trạng thái nói trên

2 Cân bằng pha của quá trình ngng tụ.

Quá trình làm lạnh khí có thể coi là quá trình làm lạmh đẳng áp ( nếu

bỏ qua một vài áp suất khí quyển chuyển động trong đờng ống và thiết bị công nghệ) cho tới nhiệt độ tơng ứng với áp suất đó sẽ xuất hiện pha lỏng KĐH và KTN là hỗn hợp nhiều cấu tử, do quá trình chuyển pha và các vùng tới hạn của chúng khác nhiều so với các quá trình tơng ứng của các chất tinh khiết

Đối với chất riêng biệt bao giờ củng tồn tại điểm tới hạn và tơng ứng với điểm đó là nhiệt độ và áp suất tới hạn Khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn, thì chất sẽ tồn tại ở trạng thái một pha, khi đó dù có thay đổi giá trị của bất kì tổ hợp các thông số nào củng không thể đa chất đó về trạng thái hai pha đợc

Hình 1: Giản đồ áp suất – nhiệt độ Hình 2: Giản đồ áp suất- nhiệt độ

Điểm tới hạn K nằm bên trái điểm M và N Điểm tới hạn K nằm giữa điểm M và N

Điều đó có nghĩa là quá trình hoá lỏng một phần hay toàn bộ của một cấu tử bằng phơng pháp nén chỉ thực hiện đợc khi hạ nhiệt độ đó xuống dứơi nhiệt độ tới hạn

Trong hỗn hợp hay dung dịch nhiều cấu tử, vùng tới hạn thờng là một khoảng rộng các thông số và phụ thuộc vào thành phần của khí Xét trạng thái hệ nhiều cấu tử trong hai giản đồ P.T ( Hình 1 - 2 ) ta thấy có 3

điểm khác nhau:

- Điểm K - điểm tới hạn, tại đó hai pha trở thành một pha

- Điểm M - điểm tơng ứng với áp suất lớn nhất mà tại đó hỗn hợp có thể tồn tại ở trạng thái 2 pha

- Điểm N - điểm tơng ứng với nhiệt độ lớn nhất mà tại đó hỗn hợp

có thể tồn tại ở trạng thái 2 pha

Những giá trị cực đại của áp suất và nhiệt độ, mà tại đó hỗn hợp nhiều cấu tử có thể tồn tại ở trạng thái hai pha đợc gọi là áp suất và nhiệt độ ngng

tụ tới hạn của hỗn hợp Lu ý nhiệt độ tơng ứng với áp suất tới hạn trên giản

đồ P-T không bằng nhiệt độ ngng tụ tới hạn của hỗn hợp nhiều cấu tử

Vị trí tơng hổ của các điểm M, N và K trên giản đồ P-T phụ thuôc vào thành phần của hỗn hợp Đối với hỗn hợp hydrocacbon điểm K có thể nằm giửa điểm M và N hay nằm phía bên trái điểm M và N hay nằm phía bên trái

điểm M; đờng cong đơn nét liền KTK biểu diễn đờng cong điểm sôi, còn ờng cong đôi nét liền và nét đứt KTP biểu diễn đờng cong điểm sơng

đ-Trên hình( 1-2 ) , ta thấy trong vùng không gạch chéo của hỗn hợp khí thể hiện nh khí một cấu tử, nhng có điểm khác là quá trình chuyễn pha của khí một cấu tử xảy ra ở nhiệt độ và áp suất không đổi, còn với hỗn hợp nhiều cấu tử của quá trình đó xảy ra trong khoảng nhiệt độ bc (b1c1) Thật vậy, khi nhiệt độ đợc nâng đẳng áp từ điểm a (a1) đến điểm b (b1) bắt đầu hình thành pha hơi ở giữa hai điểm b và c (b1 và c1) tồn tại hai pha lỏng và hơi Khi tiếp tục tăng nhiệt độ đến điểm c(c1) toàn bộ trạng thái sẽ chuyễn sang trạng thái hơi

Quá trình làm lạnh đẳng áp ngợc lại từ điểm d(d1) đến điểm a(a1) củng xảy ra tơng tự ngoài vùng AMK và KMA

Quá trình nến hay giãn nỡ đẳng nhiệt ngoài vòng đợc giới hạn bởi nhiệt độ TK và TM củng xảy ra tơng tự nh đối với khí một cấu tử, chỉ khác là pha lỏng đợc hình thành ( hay bay hơi) trong một khoảng áp suất chứ không phải ở một áp suất nhất định

Thật vậy, khi nén hỗn hợp từ điểm e(e1) tới điểm g(g1) lúc đầu hỗn hợp khí đợc nén lại, sau đó tại điểm f(f1) bắt đầu quá trình ngng tụ Giữa hai

điểm f(f1) và h(h1) tồn tại hệ hai pha, còn tại điểm h(h1) toàn bộ hỗn hợp chuyễn sang trạng thái lỏng

Trong vùng gạch chéo nếu tiến hành quá trình nén đẳng nhiệt độ từ nhiệt độ tới hạn K đến nhiệt độ ngng tụ tới hạn (TK và TM ) thì hỗn hợp nhiều cấu tử thể hiện khác hẳn so với hệ một cấu tử.

Tại điểm k(k1) hệ khí nằm ở pha hơi, tại điểm l(l1) bắt đầu ngng tụ một phần; trong khoảng giữa hai điểm l cà m (l1 và m1) tồn tại hệ hai pha (ngay cả tại điểm m) sau đó hệ lại chuyễn sang hệ một pha hơi, mặc dù áp suất vẫn tăng Quá trình bay hơi chất lỏng khi tăng áp suất đợc gọi là quá trình bay hơi ngợc

Nếu thực hiện quá trình theo hớng ngợc lại từ điểm n(n1) tới điểm k(k1) thì tại điểm m bắt đầu quá trình ngng tụ, quá trình này xảy ra khi giãn

nỡ đẳng nhiệt Hiện tợng tạo thành chất lỏng trong quá trình giãn nỡ đẳng nhiệt hỗn hợp hơi đợc gọi là quá trình ngng tụ ngợc

Hiện tợng tơng tự củng xảy ra trong vùng AMK và KMA khi đun nóng và làm lạnh hỗn hợp Thật vậy, nếu điểm K nằm giữa hai điểm M và N thì trong quá trình đun nóng hỗn hợp với áp suất không đổi từ điểm o đến

điểm s, lúc đầu hỗn hợp ở pha lỏng, sau đó tại điểm p bắt đầu sôi, tức là bắt

đầu xuất hiện pha hơi; còn tại điểm r bắt đầu chuyễn sang pha lỏng mặc dù nhiệt độ vẩn tăng Nh vậy trong khoảng op sẽ tồn tại pha lỏng, còn trong khoảng pr tồn tại hệ 2 pha, trong khoảng (rs) chỉ tồn tại pha lỏng Hiện tợng này cũng đợc gọi là ngng tụ ngợc Tuy nhiên hiện tợng đó chỉ xảy ra trong quá trình đun nóng đẳng áp tại các vùng trên khi điểm K nằm giữa điễm M

và N

Nếu thực hiện quá trình làm lạnh đẳng áp ngợc lại thì trong vùng AMK giữa hai điểm r và p sẽ xảy ra quá trình bay hơi mặc dù giảm nhiệt độ ( bay hơi ngợc) Nếu điểm K nằm bên trái điểm M và N thì khi gia nhiệt

đẳng áp theo o1, p1, r1, s1 sẽ xảy ra quá trình ngng tụ ngợc trong vùng KMA, còn khi làm lạnh đẳng áp (quá trình ngợc lại) tại điểm p1 bắt đầu quá trình bay hơi ngợc (khi giảm nhiệt độ)

ở đây ta chỉ xét quá trình ngng tụ khí đồng hành và khí tự nhiên ngoại vùng tới hạn và các thông số tới hạn.

Nh dã biết các cấu tử của KĐH và KTN ( mêtan, etan ) có các nhiệt…

độ ngng tụ khác nhau, do đó quá trình lam lạnh xảy ra nh sau:

Khi giảm nhiệt độ của hỗn hợp thì sẽ đến lúc một cấu tử nào đó sẽ

ng-ng tụ Tất nhiên cấu tử ng-ngng-ng tụ đầu tiên sẽ là cấu tử có nhiệt độ ng-ngng-ng tụ(

t-ơng ứng với áp suất riêng phần của hỗn hợp) lớn nhất Nếu nh các cấu tử đợc phân bố đều trong hỗn hợp ban đầu, thì các cấu tử có nhiệt độ ngng tụ lớn nhất sẽ ngng tụ đầu tiên Khí hydrocacbon có đặc điểm là chúng hoà tan trong hydrocacbon lỏng Do đó chuyển sang pha lỏng không những chỉ có các cấu tử có thể ngng tụ tại giá trị nhiệt độ và áp suất riêng phần đó mà các cấu tử khác có nhiệt độ tới hạn thấp hơn cả nhiệt độ của hỗn hợp tại thời

điểm đó

Sự hoà tan khí vào chất lỏng hay ngng tụ luôn kèm theo sự toả nhiệt Lợng nhiệt khi toả ra củng xấp xỉ khi ngng tụ về trị số Khi giảm nhiệt độ sẽ tăng lợng chất lỏng đợc tạo thành, đồng thời cũng làm thay đổi thành phần pha lỏng, chất lỏng giàu các cấu tử dể bay hơi Đồng thời cả pha khí cũng giàu các cấu tử dể bay hơi ( khi ngng tụ các cấu tử nặng) Khi tiếp tục làm lạnh hỗn hợp quá trình này vẫn tiếp tục xảy ra cho đến khi ngng tụ hoàn toàn pha khí

Trong quá trình ngng tụ nhiệt độ thấp (NNT) quá trình làm lạnh khí chỉ diễn ra tới khi đạt đợc mức độ ngng tụ định trớc của pha hơi( trong hỗn hợp ban đầu) và đợc xác định bằng mức độ tách cần thiết các cấu tử chủ yếu

ra khỏi hỗn hợp, điều này đạt đợc nhờ nhiệt độ làm lạnh cuối cùng hoàn toàn xác định ( phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp và áp suất trong hệ) Nhiệt

độ này tạo đợc bằng cách cung cấp cho quá trình một lợng tính trớc (nhiệt lạnh cần thiết)

Cùng một mức độ ngng tụ ( của hỗn hợp khí ban đầu) có thể đạt đợc bằng những giá trị nhiệt độ và áp suất khác nhau Khi tăng áp suất trong hệ, tức là tăng áp suất riêng phần của từng cấu tử, mức độ ngng tụ ở nhiệt độ không đổi sẽ tăng lên và xảy ra quá trình tơng tự nh làm lạnh đẳng áp Khi tăng áp suất độ chọn lựa trong quá trình ngng tụ sẽ giảm Cờng độ thay đổi nhiệt độ không tỷ lệ thuận với sự thay đổi áp suất và nhiệt độ Trong khoảng giá trị nhỏ mức độ ngng tụ sẽ thay đổi rất nhanh khi thay đổi giá trị áp suất Khi tiếp tuc tăng áp suất cờng độ ngng tụ sẽ giảm Điều đó cũng sảy ra với

sự thay đổi nhiệt độ mức độ ngng tụ sẽ tăng khi giảm nhiệt độ nhng tới một giá trị nhất định nào đó của nhiệt độ ( phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp ban đầu) khi tiếp tục giảm nhiệt độ thì quá trình ngng tụ sẽ giảm lại

Mức độ ngng tụ các hydrocacbon sẽ tăng khi áp suất tăng ở nhiệt độ không đổi hoặc khi giảm nhiệt độ ở áp suất không đổi Tuy nhiên quá trình ngng tụ của hai trờng hợp sẽ xảy ra khác nhau Khi áp suất và giử nhiệt độ không đổi mức độ ngng tụ sẽ tăng lên, nhng sự ngng tụ các cấu tử hydrocacbon sẽ kém đi, trong pha lỏng cùng với các cấu tử nặng sẽ có một l-ợng đáng kể các cấu tử nhẹ hoà tan Ngợc lại khi giảm nhiệt độ và giử nguyên áp suất mức độ ngng tụ tăng lên cùng với sự phân tách các cấu tử hydrocacbon nặng và nhẹ tốt hơn Khi tăng đồng thời chuyển sang pha lỏng của tất cả các cấu tử thì các cấu tử nặng cũng chuyễn sang pha lỏng nhanh hơn

IV.CáC PHƯƠNG PHáP CHế BIếN KHí.

1 Chế biến khí bằng phơng pháp ngng tụ nhiệt độ thấp ( NNT ).

Phơng pháp ngng tụ khí ở nhiệt độ thấp -250C ữ -350C, áp suất cao 3,0 ữ 4,0 Mpa, ngày nay ngời ta có thể sử dụng tới P = 10MPa, đợc coi là phơng pháp có hiệu quả và kinh tế để chế biến KTN và KĐH.

KĐH từ xí nghiệp khai thác dầu đợc nén bằng máy nén khí, sau đó

đ-ợc làm lạnh và đa vào thiết bị sấy khí Khí sau khi đđ-ợc sấy đa qua trao đổi nhiệt làm nguội và đa vào thiết bị ngng tụ nhiệt độ thấp Tại đó khí nén đợc làm lạnh tới nhiệt độ cần thiết, sau đó đa sang bộ phận tách khí, ở đó một phần hydrocacbon đã ngng tụ tách ra

Phần ngng tụ ( gọi là condensat ) của bậc nén khí và làm lạnh KĐH,

đợc bơm từ thùng chứa qua bộ phận trao đổi nhiệt sang cột tách etan, tại đó phân đoạn chứa metan và etan đợc tách ra Sau đó benzin là phần ngng tụ đã

đợc tách metan và etan qua thiết bị trao đổi nhiệt vào thùng chứa từ đó nó

đ-ợc đa đi chế biến tiếp

Phơng pháp NNT để tách gasoile từ KĐH là rất tốn kém, để làm lạnh cần có thiết bị làm lạnh phức tạp Tuy nhiên sơ đồ công nghệ tơng đối đơn giản, hiệu quả tách gasoile khỏi KĐH khá cao và triệt để nên những năm gần đây phơng pháp này đợc ứng dụng rộng rải trong công nghiệp chế biến khí

2.Chế biến khí bằng phơng pháp hấp thụ nhiệt độ thấp (HNT )

Trong nhà máy chế biến khí quá trình hấp thụ và quá trình nhả hấp thụ đợc tiến hành trong các phơng pháp hấp thụ và chng cất loại đĩa hay

đệm Thông thờng hai thiết bị trên kết hợp với nhau thành chu trình kín, dung môi sau khi hấp thụ khí ( tại tháp hấp thụ ) sẽ đi qua tháp chng cất, tại

đây sẽ xảy ra quá trình nhả hấp thụ phần khí đợc thu ở đỉnh tháp đợc đem đi chế biến hay sử dụng, phần dung môi tái sinh thu hồi ở đỉnh tháp đợc đa ng-

ợc lại tháp hấp thụ khí ( trong các nhà máy chế biến khí dung môi hấp thụ ờng đợc sử dụng là phân đoạn xăng , dầu hoả hay hỗn hợp của hai loại trên.

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý

3 Chế biến khí bằng phơng pháp chng cất nhiệt độ thấp ( CNT )

Sơ đồ chng cất nhiệt độ thấp ( CNT ) thực hiện quá trình tách các cấu tử định trớc hiệu quả hơn sơ đồ HNT và thiết bị chế tạo cũng đơn giản hơn Khác về mặt nguyên lý giữa sơ đồ CNT và NNT là NNT luôn tồn tại các chu trình làm lạnh phức tạp, khí càng khô cần làm lạnh càng sâu, ở các tháp tách pha thờng làm lạnh đến -900C Còn trong CNT quá trình tách thông th-ờng không cần làm lạnh sâu (chỉ từ -30 ữ 400C ) và không có tháp tách pha, nguyên liêu đợc đa thẳng vào tháp chng và khí khô đi ra ở đỉnh tháp còn phân đoạn hydrocacbon nặng lấy ra ở đáy tháp

Phụ thuộc vào sơ đồ nguyên lý của quá trình CNT, thiết bị cơ bản của quá trình là các tháp chng bốc hơi và tháp ngng tụ bốc hơi

Hình 4: Sơ đồ tháp chng Bốc hơi–

Hình 5: Sơ đồ tháp ngng tụ Bốc hơi–

Qua quá trình nghiên cứu 3 sơ đồ công nghệ chế biến khí trên em nhận thấy rằng công nghệ chế biến khí bằng phơng pháp NNT mang lại hiệu quả cao nhất nó rất phù hợp với tình hình kinh tế hiện nay của nớc ta, đây là công nghệ chế biến khí đơn giản, ta có thể dễ dàng triển khai, cũng nh không

đòi hỏi quá cao về quá trình vận hành, nguyên liệu và tác nhân phụ trợ, sản phẩm đáp ứng đợc yêu cầu đặt ra.

V Chế biến khí bằng phơng pháp ngng tụ (NNT).

Sơ đồ công nghệ chế biến khí bằng phơng pháp NNT có thể phân loại theo số bậc tách, kiểu nguồn làm lạnh, cách đa sản phẩm ra

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

Chu trình làm lạnh ngoài không phụ thuộc vào sơ đồ công nghệ có tác nhân làm lạnh đặc biệt Tuỳ thuộc vào dạng tác nhân làm lạnh mà 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 thờng các hydrocacbon nhẹ ) Chu trình làm lạnh ngoài sử dụng hai hoặc nhiều tác nhân lạnh một cấu tử

đợc gọi là chu trình lạnh nhiều bậc

Trong chu trình làm lạnh trong, tác nhân làm lạnh chính là dòng khí

đ-a vào chế biến Chu trình làm lạnh trong có thể chiđ-a thành hđ-ai nhóm

- Nhóm tiết lu dòng sản phẩm lỏng; nguồn lạnh khi tiết lu dòng ngng

tụ 1 và 2 của quá trình ngng tụ hay dòng hồi lu của quá trình khử etan và khử metan

- Nhóm dùng van giảm áp; nguồn lạnh tạo ra nhiệt độ thấp thu đợc nhờ hiệu ứng nhiệt động của quá trình giản nỡ khí bằng tuabin

Về nguyên tắc có thể sử dụng sơ đồ trong đó toàn bộ lợng lạnh cần thiết cho quá trình nhận đợc do đợc tiết lu dòng condensat Tuy nhiên sơ đồ

các bộ phận tiết lu trong trờng hợp này là không tinh tế và phức tạp Sử dụng tua bin giản nỡ khí làm nguồn nhiệt duy nhất chỉ trong trờng hợp khí gầy và khí đợc truyền dẫn với áp suất tơng ứng.

KĐH thờng đợc chế biến theo sơ đồ, trong đó chu trình làm lạnh ngoài bằng propan kết hợp với chu trình làm lạnh trong Trong những sơ đồ nh vậy

ở bậc 1 ngời ta áp dụng chu trình làm lạnh trong, làm lạnh khí với khoảng -300C, còn ở bậc 2 để nhận đợc nhiệt độ thấp hơn ngời ta sử dụng chu trình làm lạnh trong

Theo yêu cầu nhận sản phẩm ra, sơ đồ ngng tụ nhiệt độ thấp đợc chia thành sơ đồ để nhận C> 2 và sơ đồ để nhận C>3

1 Sơ đồ ngng tụ có chu trình làm lạnh ngoài.

a Sơ đồ NNT một bậc để nhận C >3 có chu trình làm lạnh propan.

Hình 6: Sơ đồ ngng tụ NNT một bậc

1,7.Bộ phận tách khí; 2 bộ phận nén khí; 4,5 Thiết bị trao đổi nhiệt; 6,10 Bộ phận bay hơi propan; 8 Tháp tách etan; 9 Hồi lu; 11 Bộ phận đun nóng

Trên hình này là biển diễn sơ đồ công nghệ của nhà máy chế biến khí làm việc theo phơng pháp NNT Đây là sơ đồ công nghệ cổ điễn đã đợc ứng dụng rộng rải Sơ đồ có một nguồn lạnh bên ngoài – chu trình làm lạnh bằng propan và một cụm phân tách hỗn hợp hai pha.

Theo sơ đồ thì khí đợc chế biến nh sau: Khí nguyên liệu đợc đa vào bộ phận tách khí sơ bô (1), tại đây nó đợc làm lạnh khỏi các tạp chất cơ học và các chất lỏng dạng hạt( dầu, nớc, chất lỏng ngng tụ )…

Sau khi đợc làm sạch sơ bộ trong thấp tách (1), khí đợc đa vào máy nén (2), tại đây khí đợc nén tới áp suất 3,0 ữ 4,0 Mpa và cao hơn khí nén đi qua thiết bị làm mát bằng không khí (3), đợc làm mát tới nhiệt độ (-200C) ữ (-350C) lần lợt trong các thiết bị trao đổi nhiệt (4) và (5) do dòng lạnh của khí khô và chất lỏng ngng tụ từ tháp phân tách (7), ở đó hydroacbon đã ngng

tụ đợc tách ra Từ đỉnh tháp (7) khí khô thoát ra, sau khi truyền lạnh ở bộ phận trao đổi nhiệt (4) đợc đa vào đờng ống dẫn khí chính

Từ đáy tháp (7), phần ngng tụ ( condensat ) đợc tháo ra, sau khi đợc truyền lạnh ở bộ phận trao đổi nhiệt (5), nhiệt độ đợc nâng lên 20 ữ 300C và

đa vào phần giữa tháp tách etan (8) Sản phẩm đỉnh tháp gồm có hỗn hợp metan ( không quá 5% thể tích ) đợc trộn lẫn với khí khô, đa vào đờng ống dẫn khí chính Sản phẩm đáy tháp chính là phân đoạn chứa hỗn hợp propan

và hydrocacbon nặng C>3, đợc sử dụng để sản xuất propan, butan, pentan và khí xăng hoặc khí đốt cho sinh hoạt (đun, nấu, sởi ).…

Việc tách các phân đoạn rộng hydrocacbon đợc tiên hành trong thiết

bị chng cất phân đoạn, các thiết bị này có thể lắp đặt tại các nhà máy chế biến khí, chế biến dầu hoặc hoá dầu

Hiệu quả làm viêc của tháp tách etan phụ thuộc vào chế độ công nghệ của quá trình, chế độ hợp lý nhất đợc chọn trên cơ sở tối u hoá quá trình theo hàng loạt thông số ( áp suất, nhiệt độ, nguồn cung cấp nhiệt ) Ta…

đã biết nếu áp suất trong tháp khử etan càng cao thì máy lạnh (10) có thể làm việc ở chế độ đẳng nhiệt cao hơn, do đó tăng áp suất có thể làm giảm chi phí năng lợng trong quá trình làm nguội của đỉnh tháp, điều đó lại dẫn tới phải tăng chi phí nhiệt Khi giảm áp suất trong tháp tách etan ta sẽ thấy quy luật ngợc lại

Tháp tách etan là loại tháp chng cất có từ 10 ữ 12 đĩa áp suất trong tháp từ 3,0 ữ 3,5 MPa Một mặt trong các điều kiện chế biến khí bằng phơng pháp NNT dới áp suất 4.0 Mpa, việc duy trì áp suất nh vậy không yêu cầu tiêu tốn năng lợng bổ sung nào, mặt khác áp suất cao nh vậy trong tháp tách etan cho phép sử dụng tác nhân làm lạnh là propan để làm lạnh ở đỉnh tháp Việc sử dụng áp suất cao hơn không có lợi, bởi vì khi đó có điều kiện tách khí sẽ trở nên kém hơn áp suất 3,5 MPa gần bằng 0,8 lần áp suất đó, chế độ của tháp tách etan đợc khống chế nh sau: nhiệt độ đỉnh tháp từ -30 ữ00C, nhiệt độ đáy tháp từ 90 ữ 1200C

b Sơ đồ NNT một bậc để nhận C >3 có chu trình làm lạnh bằng propan và tách sơ bộ etan

Do độ lựa chọn của quá trình ngng tụ nhiệt độ thấp một bậc không

đợc tốt lắm do đó phải chi phí nhiều năng lợng cho quá trình tách etan Trong đó năng lợng đợc tiêu tốn cho quá trình ngng tụ (hoà tan) các cấu tử

dể sôi (trong sơ đồ tách C3 và các phân đoạn cao là metan và etan), sau đó là dùng để bay hơi trong quá trình tách etan các cấu tử nhẹ Do đó trong những năm gần đây trong sơ đồ NNT một bậc ngời ta bổ sung thêm công đoạn tách

sơ bộ etan, tại đây etan đợc tách ra một phần do nhiệt của khí nguyên liệu đa vào ở bên ngoài của tháp tách etan.

Hình 6 : Sơ đồ NNT có tách sơ bộ etan

1.máy nén; 2 Thiết bị làm lạnh 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 hồi lu; 12 Thiết bị đun sôi đáy tháp

Trên sơ đồ NNT một bậc có tháp tách sơ bộ etan Khác với sơ đồ NNT một bậc, phần ngng tụ từ bộ phạn phân tách (7) đợc bơm đến bộ phận trao

đổi nhiệt (5), tại đây nó đợc nâng nhiệt độ lên do dòng khí nhiên liệu vào Sau đó chất lỏng ngng tụ lại đợc đa 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 trớc khi vào bộ phận bay hơi propan (6) để ngng tụ Còn phần lỏng tách

ra ở đáy tháp đi qua thiết bị trao đổi nhiệt (4) và đợc đa 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) đợc bay hơi lên đỉnh tháp (9) gồm có hỗn hợp metan, etan, propan đợc trộn lẫn với khí khô đa vào

đờng ống dẫn khí chính Sản phẩm đáy tháp chính là phân đoạn chứa hỗn hợp propan và hydrocacbon nặng.

Nh vậy nguyên liệu đa vào tháp tách etan (9) đã đợc 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 nh 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 trớc 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 lợng tổng cộng vẫn có lợi

Lợng tác nhân lạnh cần thiết để ngng tụ trớc khi vào tháo tách (7) và

ng-ng tụ trên tháp tách etan (9) cũng-ng nh lợng-ng nhiệt cần cung-ng 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 u của condensat trong tháp tách (8), phụ thuộc thành phần nguyên liệu vào và các thông số của quá trình

2 Sơ đồ NNT có chu trình làm lạnh trong.

Để chế biến khí có hàm lợng C>3 không quá 70 ữ 75 g/m3, ngời ta thờng

áp dụng các sơ đồ NNT với nguồn lạnh duy nhất là tuabin giãn nỡ khí, đảm bảo tách triệt để các cấu tử theo yêu cầu định trớc: etan, propan các hydrocacbon nặng Khi chế biến KTN, các tuabin giản nở khí sử dụng năng lợng khí Khi chế biến khí đồng hành ngời ta nén sơ bộ để tạo áp suất cần thiết trớc khi đa vào thiết bị giản nở khí (gọi là các dentendre ) Trong các sơ

đồ có chu trình làm lạnh trong, cùng với sự giản nở khí đã tách một phần xăng ngời ta thờng dùng sự tiết lu dòng chất lỏng

Hình 7 : Sơ đồ NNT có chu trình lạnh sử dụng tuabin giãn nỡ khí

1 Công đoạn sấy khí ( bằng rây phân tử ); 2 bộ phận trao đổi nhiệt; 3 Tuabin nén; 4 Bộ phận tách áp suấ cao; m5 Tuabin giãn nở khí; 6 Bộ phận tách áp suất thấp ( 1,4 2,8 Mpa ); 7 Tháp tách metan…

Sơ đồ nhà máy loại này gồm các công đoạn chính sau:

- Công đoạn nén khí ban đầu khi chế biến KĐH ( ở các nhà máy của

Mỹ thờng không có công đoạn này bởi vì KĐH đã đợc nén trực tiếp tại nơi khai thác)

- Công đoạn sấy khí

- Công đoạn tái sinh lạnh và nhiệt của các dòng khí ngợc chiều nhau

- Công đoạn tách khí áp suất cao

- Công đoạn giãn nở khí bằng tuabin có tách khí áp suất thấp

- Tách metan của các chất lỏng ngng tụ nếu yêu cầu định trớc là nhận etan và hydrocacbon nặng C>3

- Nhận khí khô cần thiết để đa vào đờng ống dẫn

3.Sơ đồ NNT có chu trình làm lạnh tổ hợp.

Sơ đồ NNT một bậc để nhận C>3 có chu trình làm lạnh tổ hợp ( chu trình làm lạnh bằng propan và tiết lu dòng chất lỏng )

Hình 8 : Sơ đồ NNT một bậc tách C 3+ có chu trình làm lạnh tổ hợp

1,3 Các thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí; 2 Máy nén; 4,6,7,9 Các

bộ phận trao đổi nhiệt; 5,8 Bộ phận bay hơi propan; 10 Tiết lu; 11 Tháp tách nhiệt độ thấp; 12 Tháp tách etan; 13 Bộ phận đun nóng đáy tháp

Trên hình biểu diễn sơ đồ ngng tụ thấp có tiết lu chất lỏng ngng tụ

từ thiết bị phân ly (11) Theo sơ đồ này KĐH sau khi nến đến áp suất 2,0 MPa đi qua bộ phận gia nhiệt (13) của tháp tách etan (12), trao đổi nhiệt bằng không khí (3), sau đó qua hàng loạt thiết bị trao đổi nhiệt 4,6,7,9 và bộ phận bay hơi 5,8 của chu trình làm lạnh ngoài, một phần khí đợc ngng tụ, khí

có nhiệt độ -100C đợc đa vào tháp tách (11) để tách phần ngng tụ Khí khô từ

đỉnh tháp tách sau khi trao đổi nhiệt với dòng khí nguyên liệu đợc dẫn ra khỏi hệ thống đa đi sử dụng Condensat từ đáy tháp tách (11) đi qua thiết bị tiết lu (10), tại đây áp suất condensat giảm xuống 1,0 Mpa, nhiệt độ -180C