Đồ Án quá trình thiết bị Đề tài tính toán thiết kế tháp hấp phụ cho dòng khí Ẩm của nhà máy gpp dinh cố

LỜI MỞ ĐẦU Khí là hỗn hợp của nhiều cấu tử khác nhau, mỗi loại khí được đặc trung bởi thành phần riêng, song về bản chất, chúng đều có hydrocacbon là thành phần chính, còn lại một lượng

TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

Tổng quan về khí

Khí tự nhiên (Natural Gas) là nhiên liệu hoá thạch Theo thuyết hữu cơ thì dầu khí được hình thành qua hàng triệu năm từ các chất hữu cơ lắng đọng dưới đại dương, trong quá trình hình thành địa chất, chúng bị phân huỷ và chuyển hoá dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất, thành các dạng hydrocacbon [1] Thành phần chính của khí tự nhiên là các hydrocacbon chứa một lượng lớn methane (CH4), một lượng nhỏ hơn ethane (C2H6), propane (C3H8), butane (C4H10), pentane (C5H12) và một số ít hydrocacbon nặng hơn

Khí tự nhiên được chia thành hai loại chính là khí truyền thống và khí phi truyền thống Khí truyền thống hoặc được khai thác đi kèm với các mỏ dầu (khí đồng hành - associated gas), hoặc được khai thác trong mỏ khí (khí không đồng hành - nonassociated gas) Khí phi truyền thống là các khí từ than đá (coal-bed methane), tight gas, shale gas Đặc điểm chung của các loại khí phi truyền thống này là chúng thường chứa một lượng lớn khí thiên nhiên nhưng khó để xử lý hơn là khí truyền thống

Hình 1: Phân loại khí thiên nhiên [2]

Đặc điểm khí của nhà máy GPP Dinh Cố

Nhà máy xử lí khí Dinh Cố thuộc tổng công ty khí Việt Nam (Petro Việt Nam gas) Được xây dựng từ năm 1997 trong thời gian 20 tháng bởi nhà thầu EPC (Samsung Engineering

Co Ltd và NNK Công suất thiết kế ban đầu của nhà máy này là 1.5 tỷ m 3 /năm và công suất sau khi lắp đặt máy nén đầu vào (27/1/2002) là khoảng 2 tỷ m 3 /năm Sản phẩm chính của nhà máy bao gồm khí khô thương phẩm, LPG và condensate

Khí đầu vào của nhà máy Dinh Cố là khí đồng hành từ mỏ Bạch Hổ (107 km) ngoài khơi từ bờ biển Vũng Tàu được vận chuyển qua ống 16’’ tới Long Hải và được xử lí tại nhà máy GPP Dinh cố để thu hồi LPG và các hydrocacbon nặng hơn Công suất vận chuyển của khí đồng hành giai đoạn thiết kế là 4.3 triệu m 3 /ngày, với lưu lượng này áp suất khí tới nhà máy là 109 barG [3].

Nước trong khí tự nhiên

Khí thiên nhiên được khai thác ra khỏi bể bị giảm nhiệt độ do sự giảm áp khi lên đến bề mặt, cùng với sự hình thành nước do sự giảm nhiệt độ, nên khí thiên nhiên hầu như luôn bão hòa hơi nước khi nó đến bề mặt

Lượng nước bão hòa phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và thành phần của dòng khí Trong đó, lượng nước giảm khi tăng áp suất và giảm nhiệt độ

1.3.1 Tác hại của nước trong khí tự nhiên

Sự hiện diện của nước trong khí có thể gây ra nhũng vậnn đề nghiệm trong trong quá trình vận chuyển và chế biến khí [4]:

• Hạn chế dòng chảy khi hơi nước ngưng tụ thành lỏng

• Gây ăn mòn, đặc biệt khi có sự hiện diện của CO2 và H2S, làm giảm tuổi thọ thiết bị sử dụng

• Gây các phản ứng phụ làm mất hoạt tính của các quá trình sử dụng xúc tác

• Tăng thể tích và giảm nhiệt trị của khối khí

• Gây đông đặc cho các quá trình chế biến lạnh (LNG, LPG…)

• Đặc biệt tạo thành hydrate khi kết hợp với các hydrocacbon

Do đó, đặt ra vấn đề là phải xử lý nước trước khi thực hiện các quy trình xử lý và chế biến tiếp theo

Các hydrocacbon trong khí (chủ yếu là methane) kết hợp với nước ở nhiệt độ thấp, áp suất cao tạo thành chất rắn gọi là hydrate

Hình 2: Ba dạng cấu trúc tinh thể thông thường của hydrate [5] Điều kiện tạo thành hydrate:

• Diễn ra thuận lợi ở nhiệt độ thấp, áp suất cao,

• Có một lượng nước vừa đủ, khí phải bằng hoặc thấp hơn điểm sương nước hoặc điều kiện bão hoà

Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào thành phần của hydrocacbon có trong khí Các yếu tố phụ như thời gian, trộn, động học, vị trí vật lí để hình thành và kết tụ tinh thể, độ mặn, nồng độ

CO2, nồng độ H2S,…cũng ảnh hưởng đến sự hình thành hydrate

Việc hình thành hydrate trong quá trình vận chuyển và xử lí khí gây ra một số vấn đề lớn như gây cản trở tắc nghẽn các đường ống, hư hỏng các máy móc thiết bị

Từ những phân tích ảnh hưởng của nước và sự tạo thành hydrate thì nước phải được loại bỏ khỏi dòng khí để tránh phát sinh nhiều vấn đề trong vận chuyển về chế biến Quá trình loại bỏ nước ra khỏi dòng khí để không có nước tồn tại trong khí tự nhiên, gọi là làm khan khí (thuật ngữ tiếng Anh gọi là quá trình Dehydration)

Làm khan khí có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp, trong đó, có hai phương pháp phổ biến là:

• Hấp phụ - Adsorption:rây phân tử (molecular sieve), silica gel, hoặc carbon hoạt tính.

Định nghĩa hấp phụ

Hấp phụ là quá trình xảy ra khi một chất khí hay chất lỏng bị hút trên bề mặt một chất rắn xốp hoặc là sự gia tăng nồng độ của chất này trên bề mặt chất khác Chất khí bay hơi được gọi là chất bị hấp phụ (adsorbate), chất rắn xốp dùng để hút khí hay hơi gọi là chất hấp phụ (adsorbent) [6] Quá trình ngược lại với quá trình hấp phụ là quá trình giải hấp phụ

Trong quá trình hấp phụ có toả ra một nhiệt lượng, gọi là nhiệt hấp phụ Bề mặt càng lớn tức độ xốp của chất hấp phụ càng cao thì nhiệt hấp phụ toả ra càng lớn.

Chất hấp phụ cho dòng khí ẩm

Chúng ta thường sử dụng chất hấp phụ rắn (solid bed adsorbents) cho quá trình làm khan khí bằng phương pháp hấp phụ, các đặc điểm của chất hấp phụ rắn [7]:

• Khử nước đến nhiệt độ điểm sương nhỏ hơn -40 đến -50˚C, chẳng hạn như yêu cầu đầu vào cho cụm NGL và nhà máy LNG

• Bộ phận kiểm soát điểm sương hydrocacbon nơi tách đồng thời nước và hydrocacbon được đáp ứng cả hai thông số kỹ thuật, rất thích hợp kiểm soát nhiệt độ điểm sương trên dòng khí áp suất cao, chứa ít nước Ứng dụng này thường sử dụng silica gel

• Đồng thời khử nước và làm ngọt khí khi nồng độ lưu huỳnh nhỏ hơn 100 ppm

• Khử nước và loại bỏ hợp chất lưu huỳnh vết (H2S, COS, mercaptans) cho LPG và các dòng khí tự nhiên

• Khử nước của các dòng NGL

Có 2 loại chất hấp phụ là chất hấp phụ hoá học và chất hấp phụ vật lý:

• Chất hấp phụ hoá học được sử dụng để loại bỏ vết thuỷ ngân và loại bỏ vết H2S ra khỏi khí Chúng không thể tái sinh do lực liên kết mạnh (liên kết hoá học)

• Chất hấp phụ vật lý thường hay được sử dụng hơn vì chúng có thể tái sinh do lực liên kết yếu (lên kết vật lí)

Yêu cầu đối với chất hấp phụ:

• Diện tích bề mặt lớn

• Có hoạt tính với các thành phần bị loại bỏ

• Tốc độ truyền khối cao

• Tái sinh dễ dàng, hiệu quả kinh tế

• Duy trì khả năng hấp phụ trong một thời gian dài có thể chấp nhận được

• Độ bền cơ học cao để chống lại sự nghiền nát, trơ về mặt hoá học, sản xuất được với số lượng lớn

• Không có sự thay đổi đáng kể về thể tích trong quá trình hấp phụ và giải hấp

• Có sẵn trên thị trường và đã được kiểm duyệt Đặc điểm của các chất hấp phụ:

Hầu hết các chất hấp phụ thương mại sẽ có tổng diện tích bề mặt lớn, từ 500 đến 800 m 2 /g

[2400000 đến 3900000 ft 2 /lbm] Một muỗng chất hấp phụ sẽ có diện tích bề mặt tương đương với 1 sân bóng đá Diện tích bề mặt lớn chỉ đạt được bằng cách sản xuất vật liệu có bề mặt bên trong lớn do các mao quản hoặc một mạng tinh thể dạng kết tinh Các tạp chất như nước, cacbon dioxide, hydrogen sulfide và các thành phần lưu huỳnh khác sẽ xâm nhập vào không gian lỗ rỗng và được giữ bên trong lỗ Trong ngành công nghiệp khí, chu trình hấp phụ chuyển đổi (TSA) được sử dụng Quá trình hấp phụ diễn ra ở nhiệt độ thấp và áp suất cao Các chất hấp phụ được tái sinh ở nhiệt độ cao Các chất hấp phụ khác nhau thì khả năng hấp phụ khác nhau

Các vật liệu đáp ứng được yêu cầu chất hấp phụ:

• Silica gel: thành phần chủ yếu là SiO2, được sản xuất bằng phản ứng hoá học, dùng để loại bỏ nước và hydrocacbon nặng

• Rây phân tử (Molecular Sieves): một alumino-silicat kim loại kiềm (zeolit), dùng để loại bỏ nước và CO2, hydrocacbon

• Than hoạt tính (Activated Carbon): cacbon được xử lý và hoạt hoá để có khả năng hấp phụ, được dùng để loại bỏ các hợp chất phân cực như ức chế ăn mòn và loại bỏ các hdrocacbon nặng

Hình 3: Các loại chất hút ẩm [4]

Tất cả những vật liệu trên trừ cacbon được sử dụng để khử nước Cacbon có đặc tính mong muốn để loại bỏ hydrocacbon và hấp phụ một số tạp chất nhưng có dung tích nước không đáng kể

Bảng 1: Thuộc tính đặc trưng của chất hút ẩm [7]

Chất hấp phụ Hình dạng

Khối lượng riêng, kg/m 3 [Ibm/ft 3 ]

Nhiệt dung riêng kJ/kg *oC [Btu/(Ibm- 0 F)]

Bảng 1 trình bày đặc tính của các chất hút ẩm Thể tích lỗ xác định khả năng hút ẩm Các rây phân tử có độ mở lỗ chính xác, silica gel và alumin đã hoạt hoá là vô định hình và có phạm vi mở lỗ lên đến 100 Angstrom Loại rây phân tử 3A, 4A, 5A chưa các lỗ có đường kính 11,4 Å Khi đường kính lỗ tiến gần đến đường kính phân tử của chất hấp phụ thì quá trình ngưng tụ mao quản diễn ra đối với những phân tử tồn tại trong pha lỏng ở áp suất và nhiệt độ chất hấp phụ Silica gel có khả năng cân bằng cao hơn sàng phân tử vì thể tích lỗ xốp lớn hơn Lỗ rỗng trên bề mặt chất hút ẩm phải đủ lớn để nhận các phân tử bị hấp phụ vào bên trong

Bảng 2: Đường kính phân tử phổ biến theo Lennard-Jones [7]

Bảng 2 cho ta thấy kích thước của các phân tử phổ biến được xác định bở Lennard-Jones

Từ đó ta có thể lựa chọn được chất hấp phụ phù hợp để loại bỏ những thành phần mong muốn

Gel là chất rắn vô định hình dạng hạt Silica gel là sản phẩm chung được sản xuất từ axit sunfuric và natri silicat, về cơ bản nó là 100% silicon dioxide (SiO2) Các loại gel khác phần lớn là dạng Al2O3 Một số chất hút ẩm kết hợp cả hai dạng này

Rây phân tử là các aluminosilicat tinh thể kim loại kiềm, tương tự như đất sét tự nhiên Rây phân tử loại 4A bao gồm Na2O3, Al2O3 và SiO2 Loại 3A và 5A được tạo ra bởi ion trao đổi khoảng 75% các ion Na bằng các ion kali và canxi Loại 13X được tạo ra bởi các ion Na Tất cả các loại đều co độ pH trong khoảng 5-12

Các sàng phân tử có điện tích ở bề mặt bên trong hốc tinh thể, chúng bị hút bởi các điện tích của các phân tử Sự phân cực của phân tử nước đóng vai trò quan trọng Các phân tử như vậy, bao gồm hydro sùnua, amoniac, cacbon dioxide được ưu tiên hấp phụ các phân tử không phân cực

Bảng 3: Đặc điểm và ứng dụng của các loại rây phân tử thông thường [7]

Các loại cơ bản Đường kính lỗ

Các phân tử không bị hấp phụ Ứng dụng

Phân tử có đường kính hiệu dụng 3 angstrom, ví dụ, etan, CO2,

H2S, metanol Được lựa chọn để giảm thiểu sự đồng hấp phụ của các tạp chất không mong muốn, chẳng hạn như metanol hoặc olefin nhẹ, và để giảm sự hình thành COS, olefin khô, metanol, etanol và khí tự nhiên

Các phân tử có đường kính hiệu dụng 4 angstrom, ví dụ, propan

Thường được sử dụng nhất để khử khí tự nhiên

Làm khô khí thiên nhiên, loại bỏ H2S Rây 4A cũng có thể được sản xuất để loại bỏ lượng nhỏ CO2 cho các ứng dụng LNG

Phân tử có đường kính hiệu dụng 5 angstrom, ví dụ, các hợp chất iso và tất cả cacbon 4 vòng

Tách các parafin bình thường khỏi các hydrocacbon mạch nhánh và mạch vòng thông qua quá trình hấp phụ chọn lọc, loại bỏ H2S và mercaptan bình thường

Các phân tử có đường kính hiệu dụng 10 angstrom

H2S khỏi chất lỏng hydrocacbon, loại bỏ

H2O và CO2 từ nguồn cấp của nhà máy không khí, loại bỏ iso mercaptan khỏi khí tự nhiên Đường kính các phân tử có thể bị hấp phụ, các đặc điểm và ứng dụng của rây phân tử thông thường được thể hiện trong bảng 1.3 Loại 13X có thể hấp phụ các phân tử lớn như mercaptan Khả năng chọn lọc của sàng phân tử đối với các kích thước phân tử khác nhau là rất quan trọng Sàng phân tử được sử dụng ở nhiệt độ hấp phụ cao hơn vì dung tích của chúng trên 38˚C [100˚F] giảm ít hơn so với gel hoặc alumin Rây phân tử ở dạng viên hoặc dạng hạt Các viên sẽ có đường kính thường là 3.2 mm (1/8 inch) hoặc 1.6 mm (1/16 inch) Đường kính dạng hạt được tìm thấy từ rây được sử dụng: các hạt rây 4×8 có kích thước trong khoảng 2.4-4.7 mm [0.09-0.19 in]

Bảng 4: Nhiệt độ điểm sương đầu ra của các chất hút ẩm [7]

Chất hút ẩm Nhiệt độ điểm sương đầu ra

Tất cả các chất hút ẩm thương mại có khả năng tạo ra điểm sương của nước dưới -60˚C [- 76˚F] Các rây phân tử thường được sử dụng để làm khan khí ở đầu vào của các cụm sản xuất NGL, LNG Đối với hầu hết các ứng dụng làm khan khí yêu cầu nồng độ đầu ra dưới 1ppmv, rây phân tử sẽ là lựa chọn hàng đầu do nồng độ nước đầu ra rất thấp Rây phân tử cũng được sử dụng để loại bỏ các vết của các hợp chất lưu huỳnh Rây phân tử yêu cầu nhiệt tái sinh cao hơn so với gel và alumina Khi có dòng khí bão hoà hơi nước, các alumina có khả năng cân bằng nước cao hơn rây phân tử, nhưng tải nước giảm nhanh khi độ bão hoà tương đối của dòng khí giảm Alumina cũng có nhiệt tái sinh thấp hơn so với rây phân tử, tuy nhiên có nhiều hạn chế Nó chỉ tốt khi sử dụng ở nhiệt độ rất thấp Silica gel được sử dụng khi phải đáp ứng cả điểm sương của hydrocacbon và nước ở mức vừa Silica gel có khả năng loại bỏ các hydrocacbon nặng Chu kì hấp phụ ngắn.

Công nghệ hấp phụ

Máy nén dùng trích một dòng khí khô nén lến tới 75 bar để thắng được trở lực trong tháp tách nước, tái sinh cho tháp hấp phụ

Quạt dùng để làm nguội dòng khí tái sinh để ngưng tụ nước cho hệ thống tái sinh tháp hấp phụ

Vị trí cụm làm khan khí trong nhà máy xử lý khí

Hình 4: Vị trí cụm làm khan khí trong quá trình xử lý khí [8]

Làm khan khí được thực hiện sau khi tách CO2 để tránh việc có CO2 làm tăng nhiệt độ tạo hydrate, sau đó qua cụm tách nước để tránh gây ra các hư hại cho đường ống cũng như thiết bị

Hình 5: Các vùng trong tháp hấp phụ [8]

Quá trình hấp phụ diễn ra với khí thiên nhiên cần được hấp phụ tách nước chảy xuống qua lớp đệm Khí đi vào tầng từ phía trên và vùng phía trên trở nên bão hòa trước Nơi cân bằng giữa áp suất riêng phần của nước trong khí và nước hấp phụ trên chất làm khô được thiết lập và không xảy ra hấp phụ bổ sung, gọi là vùng cân bằng (Equilibrium Zone - EZ) Với quá trình hấp phụ đang diễn ra, EZ sẽ phát triển và ngày càng có nhiều nước hơn bị hấp phụ

Chiều dài của lớp hấp phụ mà trong khoảng đó nồng độ của chất hấp phụ được giảm từ điều kiện đầu vào đến đầu ra được gọi là khu vưc truyền khối (mass transfer zone - MTZ) Đây vùng có sự truyền khối lượng của nó từ dòng khí sang bề mặt của chất hấp phụ Chiều dài của MTZ chủ yếu phụ thuộc vào loại chất hấp phụ và chất lượng khí thiên nhiên Chiều dài của MTZ là thường là 0,5–6 ft, và khí ở trong vùng trong 0,5–2 giây Để tối đa hóa dung tích hữu ích của tháp hấp phụ, MTZ càng nhỏ càng tốt vì nước tải trong vùng này là thấp khi so sánh với vùng cân bằng (EZ)

NZ- nonutilized zone là vùng chưa gặp nước Bởi vì tất cả các phân tử nước đã được hấp thụ trong EZ và MTZ Khu này sẽ chỉ phục vụ cho quá trình làm khan khi EZ và MTZ đã mất khả năng hấp phụ

Khi dòng khí đi từ trên xuống, MTZ di chuyển xuống dưới lớp đệm và nước thay thế các khí đã hấp phụ trước đó cho đến khi toàn bộ lớp bão hòa hơi nước Khi cạnh hàng đầu của MTZ đến gần cuối, “water breakthrough” xảy ra Tại thời điểm này, tháp hấp phụ chuyển sang chế độ tái sinh

Các sơ đồ hấp phụ

Sơ đồ 2 tháp hấp phụ

Hình 6: Sơ đồ hệ thống hấp phụ 2 tháp [7]

Khả năng hấp phụ thay đổi khi ta thay đổi nhiệt độ, áp suất của tháp hấp phụ Bằng cách thay tăng nhiệt độ của tháp hấp phụ ta có giải hấp bằng nhiệt (Thermal Swing Adsorption - TSA)

Trong hình trên, tháp A đang thực hiện quá trình háp phụ và thá B đang trong quá trình tái sinh

Vòng tái sinh gồm 2 phần chính là : Nâng nhiệt và làm mát

Trong quá trình nâng nhiệt, dòng khí tái sinh được gia nhiệt tới 204-316˚C [400-600˚F] Nhiệt độ tái sinh phụ thuộc vào chất hút ẩm được sử dụng và đặc tính của vật liệu được khử hấp thụ Dòng khí khô (dòng khí sau khi đi qua tháp hấp phụ) được trích ra một phần để thực hiện quá trình tái sinh Khi lớp hấp phụ đã được làm nóng đến nhiệt độ mong muốn, khí tái sinh sẽ đi vòng qua heater để cho phép thực hiện quá trình làm mát Quá trình làm mát này thường chấm dứt khi bed ở nhiệt độ 10-15 ° C [18-27 ° F]

Phần khí thực hiện quá trình nâng nhiệt sau khi rời khỏi tháp được làm lạnh để ngưng tụ nước hoặc hydrocacbon Sau khi tách, khí tái sinh được làm mát có thể trở thành khí tái sinh, tùy thuộc vào việc có đáp ứng thông số kỹ thuật khí đầu ra hay không

Chất hấp phụ thường được cách nhiệt bên ngoài và tỷ lệ khí tái sinh thường sẽ là 5-15% tổng số thông lượng cho quá trình khử nước, với 10% là mức trung bình tốt

Có ba nguồn khí tái sinh cơ bản trong quá trình hấp phụ:

1 Nguồn khí ẩm ban đầu

2 Khí khô đi ra từ quá trình hấp phụ

3 Khí đuôi khô từ thiết bị làm lạnh ở các cụm xử lý phía sau, chẳng hạn như sản phẩm đỉnh của thiết bị methanizer

Nguồn đầu tiên liên quan đến mức độ tái bão hòa của tháp trong quá trình làm mát, điều này giới hạn sức chứa của tháp Nguồn thứ hai sử dụng khí khô thoát ra khỏi chất hấp phụ, sau nước bị cuốn đi, dòng khí này đi đến thiết bị tách Nguồn cuối cùng là nguồn hiệu quả nhất và là nguồn chuẩn trong các nhà máy sản xuất NGL nhiệt độ thấp Cả 1 và 2 cũng sẽ làm tăng lượng chất hấp phụ cần thiết so với 3

Sơ đồ 3 tháp hấp phụ

Sơ đồ 3 tháp nhầm tăng tính linh hoạt cho quá trình hấp phụ Hình dưới đây, hai tháp chất hấp phụ đang hoạt động song song với tháp thứ ba đang thực hiện quá trình tái sinh

Hình 7: Hoạt động của 3 tháp hấp phụ [7]

Khu vực bôi đen bên trong chất hấp phụ A và B cho thấy quá trình hấp phụ nước trong tháp Đây là phần của tháp được bão hòa với nước Bên dưới khu vực bôi đen này, chất hấp phụ có khả năng hấp phụ nhiều nước hơn A sẽ được tái sinh và B mới được tái sinh, C bây giờ sẽ được hấp phụ Do đó, tại bất kỳ thời điểm nào , hai tháp khử nước có mức độ bão hòa nước khác nhau Đến lúc A đã sẵn sàng cho tái sinh, C phải sẵn sàng để tiếp tục hấp thụ

Hình 8: Sơ đồ hệ thống hấp phụ 3 tháp [7]

Nguyên lý hoạt động của sơ đồ này tương tự như nguyên lý hoạt động của sơ đồ có hai tháp hấp phụ chỉ khác ở chỗ là có hai tháp thực hiện quá trình hấp phụ còn một tháp thì thực hiện quá trình giải hấp.

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Để tách nước ra khỏi dòng khí ẩm nhầm đạt được yêu cầu kĩ thuật cho khí thương phẩm , người ta chủ yếu dùng 3 cách sau: o Tách nước bằng Glycol (Glycol dehydration TEG) o Tách nước bằng cách làm lạnh và có chất ức chế tạo thành hydrate o Tách nước bằng phương pháp hấp phụ (Adsorption dehydration; Solid bed dehydration)

Trong đó, phương pháp tách nước bằng phương pháp hấp phụ cho nhiệt độ điểm sương thấp hơn nhiều so với hai phương pháp còn lại.

Bảng 5: So sánh các phương pháp làm khan khí

Glycol dehydration (TEG) Làm lạnh Solid bed dehydration

Có thể đạt dưới -40 Có thể đạt tới -40 Có thể đạt dưới -100

Phát sinh vấn đề khi có mặt BTEX, khí axit.

Phát sinh vấn đề khi có mặt BTEX, khí axit

Không phát sinh vấn đề khi có mặt BTEX, khí axit

Chỉ tách nước Tách nước và hydrocacbon

Tách nước, hydrocacbon và lưu huỳnh

Theo như bảng 5, nhóm lựa chọn làm khan khí bằng phương pháp hấp phụ

Bảng 6: Tính chất vật lý của các chất hấp phụ [7]

Tính chất Silica gel Nhôm Rây phân tử

Diện tích bề mặt riêng [m 2 /g] 750 – 830 210 650 – 800

Thể tích lỗ [cm 3 /g] 0,4 – 0,45 0,21 0,27 Đường kính lỗ [Å] 22 26 4-5

[kg H2O/100 kg chất hấp phụ]

Bảng 7: Bảng so sánh các chất hấp phụ [7]

Rây phân tử Silica gel Nhôm hoạt tính Ưu điểm

- Khử khí tự nhiên với nồng độ nước ít hơn 0,03 ppmv hoặc điểm sương

- Có thể loại bỏ CO2 và các hợp chất lưu huỳnh

- Lượng nước còn lại dưới

- Lượng nước còn lại khoảng 10ppm

- Kiểm soát nhiệt độ điểm sương từ -60 0 C

- Giữ nước kém hơn molecular sieve nên tái sinh dễ hơn

Chi phí đắt nhất trong ba loại chất hấp phụ

- Bị vỡ ra khi tiếp xúc với nước

- Không được sử dụng trong làm khô khí cấp cho các nhà máy sản xuất NGL và LNG

- Không có khả năng đáp ứng điểm sương của nước thấp

- Không có tính chọn lọc

- Không nên sử dụng để làm khô khí với nồng độ cao của khí axit (CO2, H2S)

Dựa vào các tính chất khí đầu vào và các yêu cầu về kiểm soát nhiệt độ điểm sương, nhóm lựa chọn phương án thiết kế cụm hấp phụ khí thiên nhiên dùng chất hấp phụ zeolite 4A.

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG HẤP PHỤ KHÍ

Công việc thiết kế hệ thống tháp hấp phụ khí ẩm là rất phức tạp từ trước tới nay Các nhà công nghiệp sản xuất chất hấp phụ thông thường sẽ thực hiện các tính toán thiết kế này bằng phần mềm độc quyền của họ Thông số đầu ra của các nhà sản xuất chất hấp phụ sẽ được xuất ra trên một bản thiết kế tóm tắt Không giống như nhiều quy trình khác, các tính toán thiết kế này sẽ không thể được thực hiện với một phần mềm mô phỏng nào khác Hầu hết các bảng thiết kế tóm tắt của quy trình tính toán thiết kế hệ thống tháp hấp phụ rây phân tử sẽ bao gồm các thông tin được cung cấp bằng phương pháp phân tích hệ thống tháp hấp phụ như sau:

Bảng 8: Bảng phương pháp phân tích hệ thống hấp phụ

Các bước phân tích hệ thống hấp phụ

Thông tin cần xác định / Tính toán cần được hoàn thành

1 Thiết lập các thông số thiết kế căn bản: lưu lượng đầu vào, thành phần, nhiệt độ, áp suất và hàm lượng nước sản phẩm khí hay thông số điểm sương

2 Xác định tổng số lượng tháp, kích cỡ và loại chất hấp phụ, hướng dòng và thời gian chu kỳ của hấp phụ và tái sinh

3 Ước tính đường kính chất hấp phụ và khối lượng hoặc thể tích yêu cầu của chất hấp phụ trên một tháp

4 Ước tính chiều cao của lớp đệm, độ mất áp dự kiến khi qua lớp đệm và chiều cao của cả tháp

5 Ước tính lưu lượng dòng tái sinh bên ngoài hoặc bên trong cách nhiệt Xác định thành phần khí tái sinh, nhiệt độ gia nhiệt và làm lạnh, áp suất và hướng dòng

6 Kích thước của thiết bị gia nhiệt và làm lạnh dòng khí tái sinh

3.1 Tính toán cân bằng vật chất

Bước 1: Thiết lập các thông số thiết kế căn bản: lưu lượng đầu vào, thành phần, nhiệt độ, áp suất và hàm lượng nước sản phẩm khí hay thông số điểm sương

Các thông số của dòng khí đầu vào:

Lưu lượng dòng: Q = 4.5.10 6 std m 3 /ngày

Nhiệt độ: T = 40ºC = 313ºK Áp suất: P = 109,5 barg = 10950 kPa

Bảng 9: Bảng thành phần phí đầu vào

Gas Mol phần MW (yi)MW

Propane 0.074 44 3.256 i-Butane 0.0113 58 0.6554 n-Butane 0.0164 58 0.9512 i-Pentane 0.0032 72 0.2304 n-Pentane 0.003 72 0.216 n-Hexane 0.0019 86 0.1634

Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp khí: M = 21.8562 g/mol

Hệ số nén của dòng khí:

Hình 9: Hệ số nén cho khí thiên nhiên có khối lượng phân tử thấp [2]

Từ đồ thị Hình 9, theo trục hoành là áp suất của khí và đường cong là nhiệt độ ta suy ra được hệ số nén của hỗn hợp khí theo trục tung: z = 0.655

Khối lượng riêng của hỗn hợp khí [2]:

𝑚 3 ) Trong đó: 𝜌 𝑔 là khối lượng riêng của hỗn hợp khí [kg/m 3 ]

𝑃 là áp suất khí [kPa]

𝑀 là khối lượng mol trung bình của khí [g/mol]

𝑧 là hệ số nén [const]

Hàm lượng nước chứa trong khí ngọt:

Hình 10: Hàm lượng nước trong khí ngọt [2]

Dựa vào đồ thị Hình 10, theo trục hoành là nhiệt độ và đường cong là áp suất ta suy ra được hàm lượng nước có trong khí ngọt theo trục tung: Wn = 900 (kg/10 6 std m 3 ) Lượng nước này là tối đa mà khí có thể giữ được tại nhiệt độ và áp suất của hệ thống Khí được bão hòa hoàn toàn, độ ẩm tương đối của nó là 100%

Chuyển đổi lượng nước trong hỗn hợp khí sang ppmv [7]:

761400 = 1182 (𝑝𝑝𝑚𝑣) Trong đó: 𝑦 𝑤 là lượng nước có trong hỗn hợp khí [ppmv]

𝑊 𝑐 là hàm lượng nước có trong khí [kg/10 6 stdm 3 ]

18 là khối lượng mol của nước [g/mol]

42300 = kmol khí / 10 6 std m 3 [const] Áp suất hơi riêng phần của nước trong hỗn hợp khí [7]:

𝑝𝑝 𝑤 = 𝑦 𝑤 𝑃 = 1182 10 −3 10950 = 12.94326241(𝑘𝑃𝑎) Trong đó: 𝑝𝑝 𝑤 là áp suất hơi riêng phần của nước trong khí [kPa]

𝑦 𝑤 là lượng nước có trong hỗn hợp khí [ppmv]

𝑃 là áp suất của khí [kPa]

Nhiệt độ tạo thành hydrate:

Hình 11: Biểu đồ hydrate cho khí chứa H2S [2]

Dựa vào đồ thị Hình 11 , ta suy ra được nhiệt độ tạo thành hydrate là: T º hydrate = 21 ºC Nhưng thêm với nhiệt độ hiệu chỉnh 1,5 ºC thì nhiệt độ tạo thành hydrate sẽ là: 22,5 ºC Các điều kiện hình thành đối với các dòng khí chua có thể sẽ thay đổi đáng kể so với các điều kiện hình thành khí chứa hydrocacbon Nhiệt độ hình thành hydate của dòng khí tự nhiên thường tăng lên khi có mặt của H2S

Bước 2: Xác định tổng số lượng tháp, kích cỡ và loại chất hấp phụ, hướng dòng và thời gian chu kỳ của hấp phụ và tái sinh

Hệ thống hấp phụ khí ẩm sẽ được lựa chọn là gồm 3 tháp (2 tháp hấp phụ và 1 tháp tái sinh) Thời gian của hấp phụ được giả sử là ta = 16 giờ (8 giờ với mỗi tháp) Thời gian yêu cầu để hoàn thành tái sinh [7]:

3 − 1= 8 (𝑔𝑖ờ) Trong đó: 𝑡 𝑠𝑡𝑒𝑝 là thời gian yêu cầu để tái sinh [giờ]

𝑡 𝑎 là thời gian hấp phụ [giờ] n là số tháp [const]

Thời gian của một chu kỳ hấp phụ [7]:

Việc giảm thời gian cho một chu kì đòi hỏi tỉ lệ khí tái sinh và kích thước tháp lớn nên nhóm chọn như trên

Chất hấp phụ được chọn sẽ là rây phân tử loại 4A (UOP MOLSIV TM 4A-DG) [11] với tỷ trọng của các hạt rây phân tử là 𝜌 𝑀𝑆 = 700 (kg/m 3 ) và sử dụng trong vòng 5 năm đối với mỗi tháp

Hình 12: Đường cong cân bằng tĩnh cho các chất hấp phụ khác nhau [7] Đồ thị thể hiện khả năng cân bằng nước của một số chất hấp phụ khác nhau tại nhiệt độ 25ºC Ta thấy rằng hình dáng của đường đẳng nhiệt rây phân tử có hình dạng dốc đứng tại vùng có độ ẩm tương đối từ 0-10% Đường đẳng nhiệt bắt đầu bằng phẳng tại độ ẩm tương đối 15% và đạt khả năng hấp phụ nước tối đa là 22% Sử dụng rây phân tử là thuận lợi vì hấp phụ có thể đạt được cân bằng cao tại độ ẩm tương đối thấp và là sự lựa chọn để đạt được nhiệt độ điểm sương thấp

Lượng tải cặn trung bình trong lớp đệm sẽ tốt hơn lượng tải cặn trong vùng cân bằng tại đáy của lớp đệm tại vì trong thời gian chu trình giải hấp thời gian là không đủ để đạt được điều kiện cân bằng tại toàn bộ tháp Đối với rây phân tử, lượng dư trung bình có thể được giả định là 2-4% Trong nhiều trường hợp thì, giá trị được sử dụng là 𝑋 𝑟 = 4%

Lượng tải cân bằng của rây phân tử:

Hình 13: Đường đẳng nhiệt cho UOPMOLSIV 4A – đơn vị hệ SI [7]

Dựa vào đồ thị Hình 13 ta suy ra được lượng tải cân bằng của rây phân tử 𝑋 𝑒 = 24.5 kg nước được hấp phụ / 100 kg chất hấp phụ

Sự khác nhau giữa lượng tải cân bằng trong chu kỳ hấp phụ và tải dư trung bình là tải cân bằng mới [7]: ∆𝑋 𝑛𝑒𝑤 = 𝑋 𝑒 − 𝑋 𝑟 = 24.5 − 4 = 20.5 (%)

Trong đó: ∆𝑋 𝑛𝑒𝑤 là lượng tải cân bằng mới [%]

𝑋 𝑒 là lượng tải cân bằng đầu vào [%]

𝑋 𝑟 là lượng tải cân bằng dư [%]

Số vòng hấp phụ của mỗi tháp theo [11] trang số 425:

Hệ số vòng đời (life factor):

Hình 14: Đường cong suy giảm công suất chung của các chất hấp phụ [7] Đồ thị Hình 14 mô tả mối liện hệ giữa hệ số vòng đời (life factor) và số vòng hấp phụ Giá trị của hệ số vòng đời là một hàm của số vòng hấp phụ (mỗi vòng bao gồm cả hấp phụ và giải hấp) trong ba điều kiện hoạt động khác nhau: Tốt, trung bình, kém Trong ba điều kiện đó thì đều có điểm chung là hệ số vòng đời giảm nhanh trong những vòng hấp phụ ban đầu và giảm chậm khi số vòng hấp phụ ngày càng nhiều Để tối hóa giá trị của hệ số vòng đời, đường cong “Tốt” được sử dụng cho việc dự đoán hiệu suất cho hệ thống hấp phụ, nếu có vấn đề phát sinh trong điều kiện thực tế thì đường cong “Trung bình” và “Kém” là hợp lý

Từ đồ thị Hình 14 ta xác định được hệ số vòng đời theo đường cong trung bình:

Lượng tải cân bằng cũ [7]:

∆𝑋 𝑎 = ∆𝑋 𝑛𝑒𝑤 𝐹 𝐿 = 20.5 ∗ 0.55 = 11.275 (%) Trong đó: ∆𝑋 𝑎 là lượng tải cân bằng cũ [%]

∆𝑋 𝑛𝑒𝑤 là lượng tải cân bằng mới [%]

Giá trị của lượng tải cân bằng cũ bị giảm nhanh thì sẽ làm cho thời gian mỗi vòng hấp phụ ngắn đi Điều này làm giảm thời gian để tái sinh lớp đệm vì lớp đệm phải được tái sinh hoàn toàn trước khi lớp hấp phụ bị “breakthrough”

3.2 Tính toán thiết kế tháp hấp phụ

Bước 3: Ước tính đường kính chất hấp phụ và khối lượng hoặc thể tích yêu cầu của chất hấp phụ trên một tháp

Lưu lượng dòng khí qua mỗi tháp hấp phụ [7]:

2 𝑡ℎá𝑝 = 2,25 10 6 𝑠𝑡𝑑 𝑚 3 / 𝑛𝑔à𝑦 Lưu lượng dòng khí thực tế qua mỗi tháp hấp phụ [7]:

𝑝ℎú𝑡) Trong đó: 𝑞 𝑔 là lưu lượng khí thực tế [m 3 /phút]

𝑞 là lưu lượng khí tiêu chuẩn [std m 3 /ngày]

𝑃 𝑠 là áp suất tiêu chuẩn [kPa]

𝑃 là áp suất thực [kPa]

𝑇 𝑠 là nhiệt độ tiêu chuẩn [K]

𝑧 là hệ số nén của khí tại T và P [const]

Vận tốc tối đa của dòng khí [7]:

𝑝ℎú𝑡) Trong đó: 𝑣 𝑔𝑚𝑎𝑥 là vận tốc tối đa của dòng khí [m/phút]

𝜌 𝑔 là tỷ trọng của hỗn hợp khí [kg/m 3 ]

𝐴 = 74 với rây phân tử có kích thước 3,2 mm [const] Đường kính tối thiểu của lớp đệm hấp phụ [7]:

Trong đó: 𝐷 𝑚 là đường kính tối thiểu của lớp đệm hấp phụ [m]

𝑞 𝑔 là lưu lượng khí thực tế [m 3 /phút]

𝑣 𝑔𝑚𝑎𝑥 là vận tốc tối đa của dòng khí [m/phút]

Vì mục đích an toàn nên ta lựa chọn đường kính thực của tháp lớn hơn tiêu chuẩn đường kính tối thiểu sẽ là D = 1.8 (m)

Vận tốc thực của khí khi đi qua lớp đệm tại tháp có đường kính đã được chọn [7]:

Trong đó: 𝑣 𝑔 là vận tốc thực của khí [m/phút]

𝐷 là đường kính được lựa chọn của tháp [m]

Lượng nước được hấp phụ trong mỗi giờ [7]:

ℎ ) Trong đó: 𝑚 𝐻 2 𝑂/ℎ là lượng nước được hấp phụ mỗi giờ [kg/h]

𝑊 𝑐 là hàm lượng nước trong khí chua [kg/10 6 stdm 3 ]

𝑞 là lưu lượng khí tiêu chuẩn [m 3 /ngày]

Khối lượng của rây phân tử tại vùng cân bằng [7]:

11,275 100 = 23946.78492 (𝑘𝑔) Trong đó: 𝑚 𝑒 là khối lượng của rây phân tử tại vùng cân bằng [kg]

𝑚 𝐻 2 𝑂/ℎ là lượng nước được hấp phụ mỗi giờ [kg/h]

𝑡 𝑎 là thời gian quá trình hấp phụ [h]

∆𝑋 𝑎 là lượng tải cân bằng cũ [%]

Phương trình trên giả sử rằng lượng nước bão hòa trung bình trong vùng truyền khối là 50% Ở Hình 15, điều này ta được thấy ở hình với một đường thẳng đi qua điểm uốn và tạo thành hai vùng cân bằng I và II Vùng I không có nước được hấp phụ trên chất hấp phụ còn vùng 2 thì có nước Vì hai vùng được giả sử là bằng nhau nên chất hấp phụ trong vùng

“abcd” được cho là đã bão hòa nước và phần còn lại thì chất hấp phụ vẫn đang làm việc

Hình 15: Vùng thực tế và vùng cân bằng tương đương [7]

Lượng chất hấp phụ hữu ích sẽ ít hơn lượng chất hấp phụ được nạp vào trong chu trình hấp phụ bởi vì tại “breakthrough” thì vùng truyền khối vẫn còn trong lớp đệm và vùng truyền khối lại không đầy đủ bão hòa nước Vậy nên, vùng truyền khối càng dài thì sẽ càng giảm lượng hấp phụ hữu ích

Khối lượng của rây phân tử tại vùng truyền khối [7]:

= 1257.385733 (𝑘𝑔) Trong đó: 𝑚 𝑀𝑇𝑍 là khối lượng rây phân tử tại vùng truyền khối [kg]

𝜌 𝑀𝑆 là tỷ trọng của rây phân tử [kg/m 3 ]

TÍNH TOÁN KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG

Yếu tố chính ảnh hưởng đến kinh tế khi thiết kế hệ thống hấp phụ để làm khố khí tự nhiên ẩm bao gồm: o Lưu lượng khí đầu vào o Hàm lượng nước chứa trong dòng khí ẩm o Hàm lượng nước chứa trong sản phẩm

Tuy nhiên, đối với hàm lượng nước chứa trong dòng khí ẩm như đã chứng minh ở mục 1.3 thì thường bão hòa nên xem như chi phí cho hệ hống hấp phụ chỉ phụ thuộc vào hai phần là lượng đầu vào và hàm lượng nước chứa trong sản phẩm đầu ra Dựa vào lưu lượng đầu và hàm lượng nước chứa trong sản phẩm ta tìm được: o Chất hấp phụ o Khối lượng chất hấp phụ o Số lượng tháp hấp phụ o Đường kính tháp, chiều cao tháp o Độ dầy của vật liệu làm tháp o Nhiệt cần cho quá trình cooling và heating o Công suất của máy nén o Công suất của quạt

Quá trình tách nước ra khỏi khí tự nhiên có ý nghĩa to lớn về mặt kinh tế Khi nước có mặt trong khí tự nhiên sẽ phát sinh ra nhiều vấn đề, gây thiệt hại về kinh tế khi xử lý hậu quả, cũng như gây ra những thiệt hại cho cả một chuỗi các quy trình xử lý phía sau Những vấn đề khi nước có mặt trong khí tự nhiên có thể kể đến như: o Tạo thành các hydrate khi kết hợp với các hydrocacbon gây cản trở đường đi của của khối khí qua các van và hệ thống ống dẫn, gây tắt nghẽn đặc biệt trong các quá trình sản xuất ở nhiệt độ thấp (quá trình chế biến lạnh) như sản xuất LPG, LNG o Gây ăn mòn khi có sự hiện diện của H2S và CO2 làm tăng chi phí bảo dưỡng, chi phí lắp đặt o Gây ra các phản úng phụ, làm mất hoạt tính xúc tác trong các quá trình chế biến tiếp theo do đó làm giảm sản lượng cũn như chất lượng sản phẩm và tiêu tốn một khoản tiền vào lượng xúc tác đã bị hỏng đó o Tăng thể tích khi vận chuyển và tồn chứa, làm giảm năng suất và giá thành sản phẩm khí giảm vì giảm nhiệt trị của khối khí

Qua những phân tích về tác hại của nước tồn tại trong khí tự nhiên, ta thấy quá trình loại bỏ nước khỏi khí tự nhiên không chỉ giúp giảm tổn thất về thiết bị, tổn thất về xúc tác,…mà còn giúp giảm thiểu những sự cố phát sinh như tắc nghẽn đường ống, làm tiết kiệm một phần rất đáng kể sức người và sức của, tăng chất lượng của dòng khí thương phẩm ở đầu ra

An toàn lao động và bảo vệ môi trường là vô cùng quan trọng và ưu tiên hàng đầu, chúng ta phải đặc biệt chú ý đến vấn đề này Trong quá trình thiết kế tháp hấp phụ cho dòng khí ẩm của nhà mấy GGP Dinh Cố cần chú ý đến các vấn đề an toàn và môi trường

Các vấn đề an toàn lao động thường gặp :

• Ô nhiễm tiếng ồn: Máy nén với công suất cao gây ra những tiếng ồn lớn ảnh hưởng đến con người, gây ra giảm thính giác, đau đầu, chóng mặt, nhiễu loạn âm thanh…Làm việc trong môi trường như vậy lâu ngày khiến con người bị căng thẳng, giảm sức lao động Vì vậy việc chọn máy nén phải chú ý đến vấn đề tiếng ồn nó phát ra dể đảm bảo an toàn cho con người và năng suất công việc

• Bức xạ nhiệt cao: Các lò đốt, các tháp hấp phụ nếu không được cách nhiệt tốt có thể gây ra những bức xạ nhiệt lớn gây bỏng, tổn hại mắt và da Các nguồn bức xạ ion hoá có thể gây nhiễm xạ cấp tính (với liều ≥ 300 Rem/lần), với triệu chứng rối loạn thần kinh trung ương (nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn, hồi hộp, khó ngủ), da bị bỏng, tấy đỏ; tổn thương nặng cơ quan tạo máu; bị thiếu máu, gây sút cân, suy nhược toàn thân, nhiễm trùng nặng, dẫn đến tử vong Ngoài ra cũng khiến con người khó chịu nếu làm việc lâu trong môi trường như vậy Trong quá trình thiết kế và lựa chọn công nghệ, thiết bị, cần chú ý đến vấn đề cách nhiệt, chống bức xạ

• Rò rỉ khí: Các thiết bị bị ăn mòn do nước có trong khí lâu ngày gây ra những rò rỉ khí Đây là vấn đề rất nguy hiểm, vì khí rò rỉ ra tiếp xúc với nguồn lửa hay tia lửa điện thì gây ra những vụ cháy nổ vô cùng lớn, và hậu quả thật khủng khiếp Do đó trong giai đoạn thiết kế thì nên chú ý đến vấn đề này và trong vận hành cần phải thường xuyên kiểm tra để kịp thời xử lý

An toàn và tính mạng con người là quan trọng nhất, vì vậy trong quá trình thiết kế và vận hành cần phải tuân thủ nghiêm túc các quy tắc an toàn lao động

Vấn đề bảo vệ môi trường là một trong những vấn đề nóng đang được thế giới rất quan tâm Cùng với sự tiến bộ của của các ngành công nghiệp, các tiêu chuẩn về môi trường càng ngày càng khắt khe hơn

Các nguồn gây ô nhiễm trong hệ thống hấp phụ khí:

• Nhiên liệu cho lò đốt để gia nhiệt dòng feed chủ yếu là dầu mazut, việc đốt dầu mazut tạo ra các khí như CO, SO2 độc hại gây ô nhiễm môi trường Ngoài ra việc đốt dầu mazut còn thải ra môi trường một lượng tro bụi

• Các chất hấp phụ sau một thời gian sử dụng mất hoạt tính, không thể tái sinh được nữa thải ra môi trường gây ra ô nhiễm môi trường Ảnh hưởng của khí thải và bụi đến con người

• Nếu con người hít phải nhiều khí thải độc hại thì sẽ làm tăng nguy cơ ung thư phổi Chưa kể, khí độc vận chuyển trong cơ thể cũng gây ung thư cho nhiều bộ phận khác

• Thường xuyên tiếp xúc với khí độc ở nồng độ dưới mức gây độc cấp tính sẽ gây nhiễm độc mãn tính làm suy nhược, rối loạn hệ thần kinh của con người

• Các chất ô nhiễm trong khí thải còn gây kích thích cho hệ hô hấp, gây ra các bệnh về mắt Chúng cũng là nguyên nhân làm nặng thêm các tình trạng hiện có như hen suyễn và viêm phế quản