Tính toán các thông số cơ bản của tháp làm ngọt khí bằng MEA

Tính toán các thông số cơ bản của tháp làm ngọt khí bằng MEA

PHỤ LỤC

MỞ ĐẦU

Từ xa xưa con nguời đã biết dầu mỏ và khí tự nhiên để phục vụ cho cuộc sống sinhhoạt mặc dù sự hiểu biết còn hạn chế và rất lãng phí nhưng họ cũng đã coi đó là mộtnguồn tài nguyên vô cùng quý giá

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, con người đã đánh giá vànhận thức được tầm quan trọng của chúng đối với sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia

Đó là nguôn nguyên nhiên liệu chính để phát triển các ngành công nghiệp khác Dầu mỏ

và khí tự nhiên là nguồn khoáng sản không phải là vô tận nên cần biết cách khai thác, chếbiến hợp lí chống lãng phí nguồn nguyên liệu này

Trước đây lượng dầu mỏ được khai thác và chế biên gấp nhiều lần khí tự nhiênkhai thác, ngày nay khoảng cách đó được thu hẹp lại bởi lượng dầu mỏ cũng đang dầncạn kiệt cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp chế biến dầu khí

Ở Việt Nam ngành công nghiệp chế biến khí đã và đang trên đà phát triển Chúng

ta đã khai thác, xây dùng được những nhà máy chế biến nguồn tài nguyên này đáp ứngđược nhu cầu sử dụng năng lượng và có được nhiều thành phẩm có giá trị kinh tế cao.Tuy còn hạn chế về công nghệ nhưng nó cũng đóng góp môt phần lớn vào sự phát triểnkinh tế của đất nước

Khí sau khi khai thác ngoài các cấu tử chính là các hydrocacbon parafin còn chứacác tạp chất như: Bụi, hơi nước, khí trơ, CO2, H2S và các tạp chất hữu cơ của lưu huỳnh.Đây là các thành phần có thể gây tổn hại đén sức khoẻ con người cũng như nó làm ănmòn đường ống thiết bị trong quá trình khai thác và chế biến đặc biệt với các khí như

CO2 và H2S vì vậy 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 đặcbiệt là làm ngọt khí Đồ án “Tính toán các thông số cơ bản của tháp làm ngọt khí bằngMEA”

Em xin chân thành cảm ơn thày TS.Nguyễn Danh Nhi người trực tiếp giảng dạymôn học và hướng dẫn em hoàn thành đồ án này

CHƯƠNG I: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP LÀM NGỌT KHÍ

1.1 Tác hại của khí Acid và sự cần thiết phải loại bỏ khí Acid (H2S, CO2)

Trong hỗn hợp khí tự nhiên, khí đồng hành và khí hoá dầu ngoài khí Hydrocacboncòn chứa một số khí khác như: Khí chua (H2S, CO2), đồng thời còn chứa một lượngkhông lớn khí hữu cơ khác như: COS, CS2, Mecaptan … Sự tồn tại của chúng trong khí

sẽ gây cản trở trong sự vận hành và chế biến khí, chúng gây ăn mòn thiết bị, gây ngộ độcchất xúc tác trong chế biến, đối với người sử dụng nó có ảnh hưởng không tốt đến sứckhoẻ, gây ô nhiễm môi trường, khí cacbonic có phần ít độc hại hơn Nhưng nếu thànhphần của chúng quá lớn thì sẽ làm giảm nhiệt trị của hỗn hợp khí

Mặt khác, Hydrosunfua (H2S) là khí dễ cháy (giới hạn cháy nổ rộng) là chất không

có màu trứng thối rất khó chịu H2S rất độc có thể gây ngộ độc dẫn đến tử vong cho conngười khi tiếp xúc lâu với nó ở nồng độ cao trong khí Cho nên, trong quá trình vận hànhkhí chúng ta phải hết sức quan tâm đến sự an toàn thiết bị, đề phòng rò rỉ khí Từ nhữngvấn đề phân tích trên chúng ta đã nhận thấy sự bất lợi và tác hại của khí chua H2S, CO2 cómặt trong khí tự nhiên, khí đồng hành Vì thế chúng ta cần phải loại bỏ chúng trước khiđưa vào chế biến, nói một cách khác chính là làm ngọt Tuy vậy, bên cạnh sự tác hại củakhí chua, thì chúng vẫn có lợi còn ứng dụng được trong công nghiệp chế biến:

+ H2S là nguồn nguyên liệu quan trọng để sản xuất Lưu huỳnh nguyên chất vàAcid Sunfuaric

+ CO2 cũng là nguyên nhiên liệu được dùng trong công nghiệp chế biến thựcphẩm, trong công nghiệp hoá chất hoá học, trong nông nghiệp, trong công nghiệp sảnxuất đồ uống nước giải khát

Vì vậy, khi lựa chọn các quy trình làm ngọt khí cần phải tính đến mức độ loại cáccấu tử không mong muốn trên và tận dụng chúng để sản xuất ra các sản phẩm chuyêndùng cần thiết

* Tiêu chuẩn cho phép khí chua còn lại trong khí sạch

- ở Mỹ: Hàm lượng H2S cho phép  5,7 mgH2S/m3khí

- ở Nga: Hàm lượng H2S cho phép  20 mgH2S/m3khí

- ở Việt Nam : Hiện nay chưa có một quy định nào cụ thể nào, vì khí tự nhiên, khíđồng hành và khí hóa dầu của chúng ta có hàm lượng CO2 và H2S thấp, (trừ khí ở bể SôngHồng có hàm lượng CO2 tương đối cao)

Nói chung, trong các quy trình công nghệ xử lý khí cần phải làm ngọt khí nhằm cómục đích:

- Giảm ăn mòn đường ống, thiết bị trong quá trình xử lý khí hay sử dụng khí

- Giảm thiểu khả năng gây ngộ độc chất xúc tác trong các công đoạn chế biếnsâu

- Đảm bảo an toàn cho sức khoẻ và ô nhiễm môi trường

- Đáp ứng tiêu chuẩn về các chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm khí thương mại

- Thu hồi khi chua dùng cho các ngành công nghiệp khác, khi hàm lượng lưuhuỳnh trong khí là đáng kể

1.2 Giới thiệu tổng quát về các phương pháp làm ngọt khí:

Để loại bỏ khí chua (H2S, CO2…) và các hợp chất khác chứa lưu huỳnh khôngmong muốn ra khỏi tự nhiên, khí đồng hành và khí hoá dầu Người ta sử dụng chủ yếuyếu tố là các quá trình hấp thụ, tuỳ thuộc vào đặc điểm tương tác của các hợp chất này vớidung môi – chất hấp thụ chúng có thể hợp thành các nhóm sau Phương pháp hóa học,phương pháp vật lý, phương pháp kết hợp vật lý và hóa học

1.2.1 Làm ngọt khí bằng phương pháp hóa học

Làm ngọt khí bằng dung môi hấp thụ hóa học là những dung dịch nước Alkanolamin Các Alkanol amin thường được sử dụng là: mondo Etanol amin (MEA), di Etanolamin (DEA), Diglycol amin (DGA), TriEtanol amin (TEA), Di IzoPropanol amin (DIPA)

…

Quá trình làm ngọt khí của các dung môi này là quá trình hấp thụ, trong khi tiếpxúc và phản ứng hóa học với khí chua Quá trình làm ngọt khí bằng Kalicacbonat cũngthuộc nhóm này Phương pháp làm ngọt này đảm bảo triệt để để khí chua, với hàm lượng

trung bình và thấp, độ hoà tan Hydrocacbon trong dung môi hấp thụ này không đáng kể.Thiết bị, công nghệ đơn giản và bền

Nhược điểm cơ bản của quá trình là không tách được toàn bộ lượng khí chua H2S ,

CO2 , COS, CS2 và Mecaptan) ở khí có chứa hàm lượng lớn Vì lẽ đó hàm lượng các hợpchất chứa lưu huỳnh còn lại tương tác với dung môi tạo thành các hợp chất hóa họcbền ,khó tái sinh ở điều kiện của quá trình Để thực hiện quá trình cần phải có bậc tuầnhoàn chất hấp thụ cao và tiêu hao nhiệt lượng lớn (chúng tăng lên khi nồng độ các chấtkhông mong muốn tăng lên) Chất hấp thụ và sản phẩm tương tác của chúng với các tạpchất chứa trong khí nhiên liệu nhiều khi có hoạt tính ăn mòn cao

Cùng với sự gia tăng nồng độ amin và mức bão hoà dung môi bởi khí chua các tạpchất không mong muốn thì hoạt tính ăn mòn hóa học của các chất hấp thụ Alkanol amincũng tăng Vì vậy, khả năng hấp thụ của chúng thường bị hạn chế không phải bởi điềukiện cân bằng nhiệt động mà là bởi độ bão hoà giới hạn của các chất hấp thụ bằng các khíAcid

1.2.2 Các quá trình làm ngọt khí bằng phương pháp hấp thụ vật lý

Phương pháp hấp thụ này dùng bằng dùng môi hữu cơ gồm: Propylen cacbonat(C3H6CO3), Di Metyl Ete Polyetylenglycol (DMEPEG), N- Metyl Pirrolidon… các dungmôi này xử lý lượng khí chua trong khí bằng phương pháp hấp thụ vật lý

Đặc điểm chung của quá trình:

Là các dung môi này có độ hoà tan tốt ở nhiệt độ thấp, khả năng hấp thụ cao cáckhí chua (đặc biệt là khí CO2, H2S) có thể làm sạch gần như là triệt để đồng thời chúng cótính ưu việt hơn hấp thụ hóa học ở chỗ: khi áp suất riêng phần của một khí chua lớn hơnđiều kiện hấp thụ > 5 Mpa nó vẫn làm việc được Dung môi này thường không sủi bọt,không ăn mòn thiết bị, nhiều chất có nhiệt độ hấp thụ thấp ( 700C) nhiệt độ đặc thấp.Đây là điều kiện quan trọng trong trường hợp áp dụng chúng ở vùng có khí hậu lạnh

Khi áp suất riêng phần của các tạp chất chứa Acid cao, quá trình làm sạch khí bằngdung môi hữu cơ (phương pháp hấp thụ vật lý) có yêu cầu kinh phí đầu tư và chi phí vậnhành thấp hơn đối với việc thực hiện bằng phương pháp hóa học bằng amin, do khả năng

hấp thụ của khí chua và các hợp chất không mong muốn khác Việc tái sinh chất hấp thụvật lý diễn ra của nhiều trường hợp không cần cấp nhiệt mà nhờ giảm áp suất trong hệthống.

Nhược điểm của quá trình là: các dung môi hấp thụ được sử dụng hấp thụ tươngđối các Hydrocacbon, và làm sạch triệt để khí trong nhiều trường hợp chỉ thỏa mãn saukhi xử lý bổ sung bằng dung môi alkanolamin

1.2.3 Làm ngọt bằng dung môi tổ hợp

Dung môi tổ hợp gồm Alkanol amin dung dịch nước với dung môi hữu cơ nhưSunfolan, Metanol và dựa trên sự hấp thụ vật lý của các hợp chất không mong muốn bằngdung môi hữu cơ và tương tác hóa học với Alkanol amin, là phần phản ứng tích cực củachất hấp thụ Các quá trình này kết hợp được nhiều ưu điểm của chất hấp thụ Các quátrình này kết hợp được nhiều ưu điểm của hấp thụ vật lý và hóa học Chúng có thể được

sử dụng để làm sạch triệt để khỏi những khí chua H2S , CO2 , COS, CS2 và Mecaptan

Quá trình tuy có nhiều ưu điểm, có thể bổ sung cho nhau một cách hoàn hảo,nhưng nó không thể không có nhược điểm do các dung môi được sử dụng, hấp thụ đáng

kể các Hydrocacbon (đặc biệt là các Hydrocacbon vòng thơm tan tốt) Điều này làm hạnchế khả năng ứng dụng các quá trình hấp thụ vật lý và hóa học bởi vì để loại trừ sự thâpnhập số lượng lớn Hydrocacbon nặng vào nguyên liệu của hệ thống sản xuất lưu huỳnh

và trong thành phần của nhà máy chế biến khí cần phải có máy và thiết bị táchHydrocacbon nặng khỏi khí nguyên liệu hoặc khí Acid trước khi đến hệ thống sản xuấtlưu huỳnh (trong công nghệ cần có giai đoạn thu hồi các Hydrocacbon nặng bị cuốn theobằng cách cho Hydrocacbon khi đã sạch quay vòng lại từ dưới lên trên dung môi đi từtrên xuống trong một tháp tiếp xúc, các Hydrocacbon sẽ bị cuốn theo dòng khí, còn dungmôi bão hoà khí Acid, và các hợp chất chứa lưu huỳnh khác được đưa sang tháp tái sinh).Tuy nhiên điều này không phải lúc nào cũng đóng vai trò chủ đạo liên quan đến việcchọn qú trình sử lý khỏi H2S và các hợp chất chứa lưu huỳnh và chất không mong muốnkhác mà kèm theo đó là chi phí đầu tư và hoạt động bổ sung trong quá trình vận hành.Các quá trình hấp thụ vật lý có thể kinh tế hơn, là do các dung môi hữu cơ đảm bảo thu

hồi chọn H2S trong sự có mặt của CO2 và cho phép thu hồi tốt cho sản phẩm lưu huỳnhkhi tỷ lệ H2S: CO2 Trong những điều kiện nhất định, các quá trình này có một số ưu điểm

mà chỉ có thể phát hiện trên cơ sở phân tích kinh tế – kỹ thuật cao khỏi H2S , CO2 ,Mecaptan và các hợp chất không mong muốn khác dựa trên hấp thụ hóa học và vật lý

ở bảng I.1 trình bày tóm tắt một số quy trình công nghệ làm ngọt khí

Quy trình công nghệ Dung môi Quy trình

côngnghệ

Dung môi

* làm sạch bằng

Polyetlenglycol (DMEPEG), N – MetylPirrolidon (NMP)

aminEkonamin Di Glycol amin Sun finol Hỗn hợp dung dịch nước

Di Izopropanol amin vàSunfolan

K3 ASO3…

Rectizol Metanol (ở nhiệt độ thấp)

(*) Tên gọi phần hoạt động của dung môi, dung môi là nước

Các tiêu chuẩn cơ bản trong việc chọn chấp hấp thụ cũng như quá trình hấp thụtương ứng là:Nồng độ đầu và nồng độ cuối của các tử không mong muốn trong khí và ápsuất làm việc cho trước trong hệ thống hoặc áp suất riêng phần đầu và cuối của chúngtrong điều kiện làm sạch áp suất ban đầu xác định hệ thống tuần hoàn của chất thụ thụ(lưu lượng riêng).áp suất liên phần cuối (mức độ làm sạch) phụ thuộc trước hết vào mức

độ tái sinh chất hấp thụ và áp suất cân bằng của khí được hấp thụ trên bề mặt dung môi ởnhiệt độ xác định chủ yếu dựa vào hệ số tuần hoàn và điều kiện tái sinh của dung môi hấpthụ Vì vậy, tính kinh tế của quá trình được xác định trong khí nguyên liệu (khí chua) vàkhí đã làm sạch khí ngọt Trên cơ sở những dự liệu này người ta có thể đánh giá dung môinào trong các dung môi hấp thụ hóa học theo vật lý được ứng dụng hợp lý nhất đối vớiđiều kiện cho trước, sau đó phải xét đến tính đặc thù của các tạp chất chứa trong khí vàcác phương án tương tác có thể có của chúng với dung môi hấp thụ, từ đó mới có thểchọn lựa quá trình thuận lợi để tiến hành khảo sát kinh tế ,kỹ thuật

Tất cả các quy trình công nghệ được nêu trong bảng I.1 ngoại trừ quy trìnhVetrocokk, đều dựa trên nguyên tắc hấp thụ hóa học hay vật lý các chất chứa lưu huỳnh,oxy không mong muốn và giải hấp chúng từ chất hấp thụ, đưa khí Acid chứa H2S đến hệthống sản xuất lưu huỳnh kiểu Clase Quy trình Vetrocokk dựa trên nguyên tắc hấp thụ

H2S bằng dụng môi hấp thụ hóa học và ôxy hóa trong thiết bị tái sinh thành lưu huỳnhnhờ sự có mặt của phụ gia hoạt tính trong chất hấp thụ và Oxy đi vào đáy tháp tái sinhcùng với không Quy trình làm ngọt khí Vetrocokk thường được sử dụng làm sạch khí vớinồng độ H2S thấp

1.3 Quy trình làm ngọt khí bằng dung môi Alkanol amin

Quy trình công nghệ làm ngọt khí bằng các dung môi Alkanol amin được sự thừanhận và ứng dụng rộng rãi trong công nghệ chế biến khí tự nhiên khí đồng hành và khítrong nhà máy lọc dầu Khi áp suất riêng phần của các khí chua thấp và trung bình thì khảnăng hấp thụ của các Alkanol amin tăng theo tỷ lệ H2S và CO2 1.3.1 Tính chất chung

và các qúa trình làm ngọt khí của các Alkanol amin

* Tính chất:

Các Alkanol amin luôn được sử dụng làm dung môi hấp thụ hóa học để làm ngọtkhí là: Mon Etanol amin (MEA), Di Etanol amin (DEA), Di Izopropanol amin (DIPA), DiGlycol amin (DGA)… Nghiên cứu cấu trúc phân tử của các Alkanol amin ta thấy nó cócấu trúc tương tự với NH3 Về nguyên tắc cũng có thể dùng NH3để loại các khí Acid rakhỏi Hydrocacbon những NH3 bay hơi rất mạnh Do vậy, gây khó khăn cho quá trình vậnhành và tổn thất lớn do sự bay hơi của nó.

Bảng I.2 các amin dùng để hấp thụ khí axít

Monoetanolamin MEA H2N – CH2 – CH2 – OH

Dietanolamin DEA CH

2 – CH2 – OHHN

CH2 – CH2 – OHTrietanolamin TEA CH2 – CH2 – OH

N – CH2 – CH2 – OH CH2 – CH2 – OHDisopropanolamin DIPA CH2 – CHOH – CH3

OH

Bảng I.3 Một số tính chất hóa lý cơ bản của các Alkanol amin

Nhiệt độ sôI,0C ở áp suất Pa

0.198(ở 450C)

0.026(ở 240C)

độ hoà tan trong nước ở 200C,

Nhiệt hoá hơi ở 1.105Pa,j/kg 1486.4 1205.9 722.5 917.4

Mono etanolamin (MEA) là amin có tính bazơ mạnh nhất trong các Alkanol amindùng làm dung môi hấp thụ trong các quy trình làm ngọt khí ở nhiệt độ thấp nó có thểphản ứng rất nhạy với các Acid, nó phản ứng được cả với H2S và CO2 MEA có khốilượng phân tử nhỏ nhất trong các Alkanol amin nên nhiệt tỏa ra trong phản ứng hấp thụcác khi axit là lớn nhất trong các Alkanol amin khác Đồng thời MEA bền về mặt hóahọc, dung dịch MEA ít bị phân huỷ, MEA phản ứng không thuận nghịch với cácCacbonyl Sunfua (COS) và Cacbondisunfua CS2 tạo thành các sản phẩm bền không táisinh được hoặc khó tái sinh Vì vậy, gây tổn thất một lượng lớn dung môi hấp thụ (nếukhí nguyên liệu có chứa nhiều COS, CS2) Mặt khác, MEA có áp suất hơi bão hoà caonhất trong các Alkanol amin, áp suất hơi bão hoà của MEA lớn hơn gấp 30 lần so với ápsuất hơi bão hoà của DEA và 300 lần so với TEA Do đó, trong quá trình vận hànhthường bị tổn hao một lượng dung dịch MEA đáng kể do bay hơi

DiEtanol (DEA) là một bazơ yếu hơn so với MEA, cũng bên về mặt hóa học DEAphản ứng được với H2S và CO2 những phản ứng của nó kém hơn so với MEA DEA cũngphản ứng với COS, CS2 nhưng các phản ứng này xảy ra chậm hơn so với MEA

- Quá trình làm ngọt khí bằng dung dịch Di Glycoly amin (DGA), quá trình nàyđược ứng dụng để loại bỏ triệt để H2S và CO2, nếu dùng DGA thay thế cho MEA sẽ chophép giảm lưu lượng riêng của chất hấp thụ và chi phí năng lượng là 25 – 40%

- Quá trình kết hợp đồng thời vừa làm ngọt vừa làm khô khí, dùng dung môi làdung dịch MEA hoặc DEA với Glycol.

- Quá trình làm ngọt khí bằng dung dịch TriEtanol (TEA), quá trinh này đượcgiới chuyên môn đánh giá là không hiệu quả và hiện nay được thay thế bởi quá trìnhMEA và DEA

- Quá trình làm ngọt khí bằng dung dịch Di IzoPropanol amin (ADIP), quá trìnhđược ứng dụng làm ngọt khí tự nhiên và khí dầu mỏ, vì nó có chi phí vận hành thấp hơn

so với quá trình MEA

- Quá trình làm ngọt khí bằng dung dịch Metyl Dietanol amin (MDEA), quá trìnhđặc biệt được chú ý, do tính chọn lọc của nó cao, khi phản ứng với H2S trong sự có mặtcủa CO2

Trong quá trình làm ngọt khí của các Alkanol amin đã nêu trên, thì các quá trìnhMEA, DEA và ADIP thì được ứng dụng nhiều nhất để làm ngọt khí tự nhiên và khí đồnghành

I

IV V

9 7

VII

Sơ đồ nguyên lý công nghệ hấp thụ bằng MEA

1 tháp hấp thụ; 2,3,4 thiết bị phân ly; 5,6 thiết bị làm nguội bằng không khí; 7,8 thiết bị làm lạnh bằng nước; 9 thiết bị trao đổi nhiệt; 10 tháp nhả hấp thụ; 11 Bộ phận đun nóng; I khí nguyên liệu; II khí sạch(khí ngọt); III Dung môi bão hoà; IV khí phân ly; V Dung môi đã nhả hấp thụ một phần; VI khí axit; VII Dung môi đã tái sinh tuần hoà trở lại tháp hấp thụ.

Trong các phản ứng trên thì tốc dộ phản ứng của MEA với CO2 chậm hơn so vớiphản ứng của nó với H2S ở nhiệt độ thấp các phản ứng xảy ra theo chiều từ trái sangphải, ở nhiệt độ cao thì các phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại (từ phải sang trái).Trong trường hợp đầu xảy ra quá trình hập thụ hoá học, H2S, CO2 liên kết với chất hấpthụ theo phản ứng hoá học (chiều từ trái sang phải) Trong trường hợp thứ hai – diễn ra sựgiải hấp (tái sinh chất hấp thụ và tách các khí Acid: H2H và CO2 được hấp thụ) Nhờ phảnứng hấp thụ của các muối MEA và các Acid ở nhiệt độ cao Các phản ứng hấp thụ hoáhọc là các phản ứng toả nhiệt rất mạnh, ngược lại phản ứng tái sinh (phản ứng phân huỷcác muối) là phản ứng thu nhiệt

Dung môi hấp thụ hoá học dùng trong quá trình làm ngọt khí bằng MEA là dungdịch nước Mono Etanol amin, nồng độ MEA trong dung dịch không vượt quá 15 – 20%khối lượng, vì khi có nồng độ cao thì vận tốc ăn mòn kim loại của nó cang mạnh do hấpthụ hàm lượng khí axit lớn (dung dịch Alkanol amin tinh khiết không có tính ăn mòn).Nồng độ dung dịch càng cao thì tính ăn mòn kim loại càng mạnh, nên làm hạn chế khảnăng tăng hiệu quả của quá trình hấp thụ bằng Alkanol amin (vì không thể dùng các dung

3

10

5