Giáo Trình Công Nghệ Xử Lý Khí

Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 1 MỤC LỤC PHẦN 1 HỆ THỐNG CÔNG NGHỆ DẦU KHÍ PHẦN 2 GIẢN ĐỒ PHA VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ PHẦN 3 LƯU GIỮ HYDROCACBON LỎNG PHẦN 4 LƯNG NƯỚC TRONG KHÍ HYDROCACBON PHẦN 5 GAS HYDRATE PHẦN 6 DEHYDRATE-CHỐNG HYDRATE HOÁ PHẦN 7 ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN PHẦN 8 VAN AN TOÀN PHẦN 9 ĐO LƯU LƯNG PHẦN 10 LƯU LƯNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG PHẦN 11 ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍCH, ĐẦU NỐI… PHẦN 12 BÌNH TÁCH DẦU KHÍ. PHẦN 13 LÀM KHÔ KHÍ BẰNG GLYCOL PHẦN 14 LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ PHẦN 16 MÁY BƠM PHẦN 17 MÁY NÉN KHÍ PHẦN 18 TURBINE KHÍ PHẦN 19 EXPANDER PHẦN 20 HỆ THỐNG LÀM LẠNH Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 2 PHẦN 1 HỆ THỐNG CÔNG NGHỆ DẦU KHÍ Mô hình tổng quát hệ thống công nghệ khai thác, thu gom, sử lý khí . Phần lớn các hệ thống sử lý dầu khí đều có các thành phần chung như hình 1.1. Chúng được cấu tạo từ các module có chức năng và nhiệm vụ khác nhau. Hình 1.1: Hệ thống thu gom, xử lý dầu khí Module vỉa: − Bao gồm vỉa sản phẩm và các giếng khai thác. Module tách dầu khí: - Dòng sản phẩm từ vỉa đi lên bao gồm cả chất lỏng, khí, nước, các hạt rắn do đó phải có các bình tách để tách riêng dầu khí nước gọi là bình tách cấp 1. - Các cấp bình tách tiếp theo có nhiệm vụ ổn đònh thành phần dầu thô nhằm đạt yêu tàng trữ hay vận chuyển. Module sử lý nước thải: Bao gồm các thiết bò sử lý phần nước khai thác cùng sản phẩm dầu khí từ vỉa và được tách qua các bình tách quá trình này nhằn thu hồi hydrocacbons, loại bỏ các tạp chất rắn, hay các chất rắn hoà tan như CaCO3, NaCl. Nhằm mục đích đạt yêu cầu về chất lượng thải ra môi trường hoặc tái sử dụng. Module sử lý khí và vận chuyển khí: (giàn nén khí trung tâm) Xem hình 1.2 Nhiệm vụ chính nhằm loại trừ các tạp chất (nước, tạp chất rắn, các chất độc hại H 2 S, CO 2 , N2, O2 .) trước khi đưa đến module chế biến khí. Để loại nước người ta có thể dùng các biện pháp như: hấp thụ thường dùng glycol, chất hấp phụ như silica gen, alumina hay molecular sieve (zeolite), ngưng tụ nhiệt độ thấp,… Module chế biến khí: (nhà máy Dinh Cố) Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 3 Xem hình 1.2 Nhiện vụ của phần này bao gồm tách hỗn hợp khí tự nhiên thành các thành phần riêng biệt (thông thường là các khí hóa lỏng) như Ethane (C 2 ), Propane (C 3 ) , Butane (C 4 ), natural gasoline (C 5 +) Hình 1.2: Hệ thống thu gom, xử lý, chế biến dầu khí Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 4 PHẦN 2 GIẢN ĐỒ PHA VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ THÔNG SỐ VẬT LÝ CỦA ĐƠN CHẤT Các thông số vật lý của một đơn chất là hoàn toàn xác đònh theo các bảng sau: Hình 2.1 Bảng thông số vật lý Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 5 Hình 2.2 : Bảng thông số vật lý Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 6 Hình 2.3: Bảng thông số vật lý Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 7 GIẢN ĐỒ PHA CỦA ĐƠN CHẤT Đối với chất riêng biệt bao giờ cũng tồn tại điểm tới hạn (C: critical point) tại đó tương ứng ta có áp suất tới hạn Pc và nhiệt độ tới hạn Tc Hình 2.4: Giản đồ pha của đơn chất C 2 H 6 Khi nhiệt độ và áp suất cao hơn nhiệt độ điểm tới hạn khi ấy đơn chất trong vùng “dense phase” đó là vùng trạng thái một pha, vật chất trong vùng này có các tính chất vật lý (thể tích riêng, khối lượng riêng, entanphy, độ nhớt… ) là trung gian giữa chất khí và lỏng. Như vậy trong vùng này ta không thể thay đổi các thông số công nghệ để đưa chất đó về trạng thái hai pha được, điều đó có nghóa là quá trình hoá lỏng một phần hay toàn bộ khí một cấu tử bằng phương pháp nén chỉ thực hiện được khi hạ nhiệt độ khí đó xuống dưới nhiệt độ tới hạn Khi đi từ a xuống b (đẳng nhiệt, giảm áp) đơn chất chuyển từ lỏng sang khí, khi đi từ e qua d (đẳng áp, giảm nhiệt ) thì đơn chất chuyển pha từ khí sang lỏng. GIẢN ĐỒ PHA CỦA HỖN HP KHÍ NHIỀU CẤU TỬ Hình 2.5: Giản đồ pha của hỗn hợp khí. Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 8 Trong hỗn hợp hay dung dòch khí nhiều cấu tử , vùng tới hạn thường là một khoảng rộng các thông số và phụ thuộc vào thành phần khí. Xét trạng thái hệ nhiều cấu tử trong giản đồ P,T hình 2.5, hình 2.6: Ta thấy có các lưu ý: Điểm tới hạn C , tại đó hai pha trở thành một pha Điểm B (cricondenbar) điểm tương ứng với áp suất lớn nhất mà ở đó hỗn hợp có thề ở trạng thái hai pha Điểm T (cricondenthermal) điểm tương ứng với nhiệt độ lớn nhất mà tại đó hỗn hợp có thể tồn tại ở trạng thái hai pha. Những giá trò 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 được gọi là nhiệt độ và áp suất ngưng tụ tới hạn của hỗn hợp. Hình 2.6: Vò trí vài thông số trên giản đồ pha Vò trí tương hỗ của các điểm C, B, T trên giản đồ P,T phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp Trên giản đồ P,T phần đường bên trái cho tới C là đường điểm sôi (bubble) còn phần đường bên phải là đường điểm sương (dewpoint ) Trong các quá trình thuận thì khi nén lên, hoặc khi giảm nhiệt độ thì chất lỏng ngưng tụ tăng lên Còn ngược lại khi nén lên hay khi giảm nhiệt mà lượng chất lỏng ngưng tụ giảm đi thì đó là quá trình (ngưng tụ , bay hơi) ngược. Trong công nghệ khí người ta hay dùng máy nén để nén khí tăng áp, expander để giảm áp, van giảm áp, trao đổi nhiệt để tăng giảm nhiệt, quạt giảm nhiệt…Khi đạt điều kiện thích hợp một cấu tử nào đó của khí bắt đầu ngưng tụ tất nhiên khí có nhiệt độ ngưng tụ cao nhất sẽ ngưng tụ trước tuy nhiên ta chú ý các cấu tử khí có tính chất hoà tan được trong hydrocacbon lỏng như vậy chắc chắn mặc dù một vài cấu tử chưa đủ điều kiện hoá lỏng thì chúng đã hoà tan một phần sang thể lỏng. Mức độ ngưng tụ các H-C 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 ngưng tụ của hai trường hợp trên sẽ sảy ra khác nhau, khi tăng áp thì các cấu tử nhẹ bò hoà tan vào pha lỏng càng nhiều lên điều này không tốt, khi tăng áp hay giảm nhiệt thì các cấu tử nặng chuyển sang pha lỏng nhanh hơn. Công thức qui đổi nhiệt độ: T o C = T o K-273,15 T o R = 1,8 T o K T o F = T o R – 459,67 T o C = 5/9(T o F - 32 ) Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 9 NHIỆT ĐỘ TỚI HẠN Tc, ÁP SUẤT TỚI HẠN Pc: Đối với đơn chất Tc, Pc là các thông số đã biết qua hình 2.1, 2.2, 2.3 Đối với hỗn hợp sau khi phân tích thành phần hỗn hợp người ta tính Tc, Pc như sau: Tc= ∑ Tci x yi ; Pc= ∑ Pci x yi yi: là phần mole của cấu tử trong hỗn hợp. Ví dụ: Tính toán các thông số nhiệt độ tới hạn Tc, áp suất tới hạn Pc, khối lượng phân tử MW, hệ số không đồng bộ (acentric) W theo công thức cho hỗn hợp như sau: MW= ∑ Mwi x yi Tc= ∑ Tci x yi W= ∑ Wi x yi Pc= ∑ Pci x yi CÂN BẰNG PHA LỎNG – KHÍ CỦA HỆ HYDROCACBON Đại lượng đặc trưng cho sự phân bố các cấu tử giữa các pha trong điều kiện cân bằng được gọi là hằng số cân bằng pha. Nó được xác đònh bằng phương trình: Ki=yi/xi yi là phần mol của cấu tử trong pha hơi, xi là phần mol của cấu tử trong pha lỏng Ki phụ thuộc vào áp suất , nhiệt độ, và áp suất hội tụ (áp suất mà ở đó các hằng số cân bằng của tất cả mọi thành phần đều bằng 1) của hệ. p suất hội tụ được xác đònh theo thành phần của pha lỏng cân bằng (mà thành phần pha lỏng này cũng là ẩn số) do đó thường thì ta chọn một áp suất hội tụ cho hệ lỏng sau đó tra các Ki, tính toán ra thành phần lỏng khí, sau đó từ thành phần lỏng cân bằng ta lại tính ra áp suất hội tụ nếu áp suất hội tụ chọn và tính toán giống nhau thì đó là kết quả đúng. Trong thực tế trong các hệ dầu khí có áp suất dưới 50 bar thì các hằng số cân bằng Ki không phụ thuộc áp suất hội tụ khi đó quá trình tính toán được đơn giản hoá đi rất nhiều. Để tính áp suất hội tụ theo các bước như sau : Chuyển pha lỏng cân bằng thành hệ bậc hai giả trong đó cấu tử thứ nhất là cấu tử nhẹ, có lượng không ít hơn 0,1%mole, cấu tử thứ hai là gồm các cấu tử còn lại. Tính nhiệt độ tới hạn trung bình khối và áp suất tới hạn trung bình khối đối với cấu tử giả nặng theo phương trình: T tbk = ∑ x i MW i T ci / ∑ x i MW i P tbk =∑x i MW i P ci / ∑x i MW i Tci(k) Pci(kpa) yi MWi Mwi*yi Pci*yi Tci*yi wi yi*w i C1 190.56 4599 0.7 16.043 11.2301 3219.3 133.392 0.0104 0.00728 C2 305.41 4800 0.1 30.07 3.007 480 30.541 0.0979 0.00979 C3 369.77 4240 0.05 44.097 2.20485 212 18.4885 0.1522 0.00761 iC4 407.82 3640 0.03 58.123 1.74369 109.2 12.2346 0.1852 0.005556 nC4 425.1 3784 0.02 58.123 1.16246 75.68 8.502 0.1995 0.00399 iC5 460.35 3381 0.015 72.15 1.08225 50.715 6.90525 0.228 0.00342 nC5 469.65 3365 0.015 72.15 1.08225 50.475 7.04475 0.2514 0.003771 nC6 506.4 3030 0.01 86.117 0.86117 30.3 5.064 0.2994 0.002994 nC7 539.2 2740 0.01 100.204 1.00204 27.4 5.392 0.3494 0.003494 nC8 568.4 2490 0.01 114.132 1.14132 24.9 5.684 0.3977 0.003977 nC9 594.7 2280 0.01 128.258 1.28258 22.8 5.947 0.4445 0.004445 nC10 617.7 2100 0.01 142.258 1.42258 21 6.177 0.4898 0.004898 CO2 304.11 7374 0.01 44.01 0.4401 73.74 3.0411 0.2667 0.002667 H2S 373.37 8963 0.005 34.082 0.17041 44.815 1.86685 0.0948 0.000474 N2 126 3399 0.003 28.0134 0.08404 10.197 0.378 0.0372 0.0001116 H2O 647 22118 0.002 18 0.036 44.236 1.294 0.3443 0.0006886 Total 1 27.9528 4496.758 251.9521 0.0651662 Mw Pc(kpa) Tc(k) W Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 10 Sau đó đánh dấu trên hình 2.7 vò trí cấu tử giả nặng có tung độ và hoành độ là P tbk, T tbk , bằng con đường nội suy giữa các đường cong tới hạn bậc 2 có trên đồ thò chúng ta vẽ đường cong tới hạn cấu tử nhẹ-cấu tử giả nặng. Từ đường cong vẽ được và áp suất ban đầu của hệ điểm gióng từ nhiệt độ qua đường cong chính là áp suất hội tụ. Hình 2.7: Đồ thò kiểm tra áp suất hội tụ [...]... page 25 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ HYDROCACBON Phương trình cơ bản PV=ZnRT P: áp suất hỗn hợp khí (kpa) V: thể tích hỗn hợp khí (m3) Z: hệ số nén n: số moles hỗn hợp khí R: hằng số khí = 8,3145 T: nhiệt độ hỗn hợp khí (oK) CHƯƠNG TRÌNH TÍNH HỆ SỐ NÉN Z: THEO VAN DER WAALS Z^3-(1+B)Z^2+AZ-AB=0 A=a*P/(R^2T^2) B=bP/R/T a=27R^2Tc^2/64/Pc b=RTc/8/Pc CHÚ Ý Z CHỈ ĐÚNG KHI F(Z)=0 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH HỆ SỐ... L+Vki) =1 trong phương trình này zi đã biết, Ki tra theo P,T, ta chỉ cần thay L (từ 0 đến 1) để cho ∑zi/( L+Vki) =1 là được Dòng khí vào bình tách có thể không có ngưng tụ chất lỏng khi đó L = 0, V=1 khi này bài toán là xác đònh điều kiện dewpoint P,T hay dòng khí ngưng tụ hoàn toàn L=1, V= 0 khi đó bài toán là xác đònh điều kiện bublepoint Bài toán tính thành phần khí khi qua bình tách khí: (solution02)... 12% là chấp nhận được ng dụng hệ số cân bằng trong tính toán dòng khí qua bình tách như sau: zi là phần mol của cấu tử trong dòng khí vào bình tách, yi là phần mol của cấu tử trong pha hơi, xi là phần mol của cấu tử trong pha lỏng F tổng số moles khí vào bình V tổng số moles khi ra khỏi bình L tổng số moles chất lỏng ngưng tụ Phương trình cân bằng vật chất Fzi = Vyi + Lxi; F=V+L , Ki=yi/xi Thay vào... RIÊNG, THỂ TÍCH RIÊNG KHÍ HYDROCACBON Từ phương trình PV=ZnRT Xét n kmoles khí có thể tích V sẽ nặng nMW kg Khối lượng riêng ρ (kg/m3) = nMW/V do đó ρ = P*MW/(ZRT) Thể tích riêng v(m3/kg) = 1/ρ = (ZRT)/ (P*MW) Lưu ý V(m3) là thể tích mole ở P,T khác với thể tích riêng v(m3/kg) KHỐI LƯNG RIÊNG HỆ HYDROCACBON LỎNG Trong thực tế tính toán khối lượng riêng của hệ hydrocacbon lỏng ta dùng công thức Kreg ρt15... bình phải là trạng thái hai pha thì khi đó mới có phân chia lỏng khí Các điều kiện dưới đây cho phép bạn dự đoán trạng thái dòng khí vào bình tách : Nếu ∑kizi và ∑(zi/ki) cả hai đều lớn hơn 1 thì dòng vào bình là 2 pha ∑kizi nhỏ hơn 1 thì dòng vào là toàn lỏng , ∑kizi = 1 dòng vào là bublepoint ∑(zi/ki) nhỏ hơn 1 thì dòng vào là toàn khí, ∑(zi/ki) = dòng vào là dewpoint ∑kizi và ∑(zi/ki) sẽ không đồng... 0 0 0 0 0 0 Công thức SOAVE-REDLICH-KWONG-Z F(Z)=Z^3-Z^2+(A-B-B^2)Z-AB=0 a=(1/Pc)*0,42747(R^2*Tc^2){[1+(0,48+1,574W-0,176W^2)(1-T/Tc)^0,5)]}^2 b=0,0864RTc/Pc A=aP/(R^2T^2) B=bP/R/T Để tính toán nhanh chóng hệ số nén của khí hydrocacbon người ta còn dùng cách tra đồ thò hình 2.20 thông qua các thông số áp suất, nhiệt độ qui đổi : Pr=P/Pc ; Tr = T/Tc Hình 2.20: Đồ thò tra hệ số nén Z của khí tự nhiên... 1.0003 Tìm P=1758 kpa T= 49C ta chọn L=1 vì trạng thái bublepoint sao cho total cột H=1và cột G=1, có P, T tra ra Ki Bài toán ví dụ để kiểm tra áp suất hội tụ: Cho hỗn hợp khí qua bình tách khí ở 3400kpa và –30oC hãy tính thành phần khí lỏng ra khỏi bình tách: C1 C2 C3 nC4 nC5 Total C1 C2 C3 nC4 nC5 Total Moles Ni or zi 0.8745 0.0586 0.0372 0.0212 0.0085 1 Tci(k) Pci(kpa) 190.56 4599 305.41 4880 369.77... ĐKC ta có thể tính khối lượng riêng của chất lỏng ở trạng thái bão hoà (nhiệt độ T) bằng các công thức của CAVETT như sau: ρL,60 (lb/ft3) khối lượng riêng chất lỏng ở 60oF T nhiệt độ của hệ (R) Tc nhiệt độ tới hạn (R) ĐỘ NHỚT CỦA HỖN HP KHÍ µm = [Σ µi yi (MWi)0.5 ]/ [Σ yi (MWi)0.5 ] µm độ nhớt của hỗn hợp khí µi độ nhớt của từng thành phần yi phần moles thành phần i MWi khối lượng phân tử thành phần... ta tra ra µi sau đó tính ra µm = µ1 là độ nhớt của hỗn hợp khí ở điều kiện chuẩn , sau đó tính PR , TR , tra đồ thò ta có µ/µ1 từ đó tính ra µ ở P,T Hoặc đơn giản hơn là tính MW của hỗn hợp rồi tra ra µm = µ1 Hình 2.24: Đồ thò tra µ/µ1 cho khí tự nhiên Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 31 Ví dụ: tính độ nhớt của hỗn hợp khí H-C có MW=22, ở P=6895kpa(abs), T=40oC, Tc =226,9oK, Pc=4885kpa(abs)... a=0,45724R^2Tc^2/Pc*α α^0,5=1+m(1-Tr^0,5) b=0,0778RTc/Pc m=0,37464+1,54226W-0,26992W^2 Tr=T/Tc CHÚ Ý Z CHỈ ĐÚNG KHI F(Z)=0 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH HỆ SỐ NÉN Z: THEO REDLICH -KWONG Z^3-Z^2+(A-B-B^2)Z-AB=0 A=a*P/(R^2T^2.5) B=bP/R/T a=0,42747R^2Tc^2,5/Pc b=0,0867RTc/Pc CHÚ Ý Z CHỈ ĐÚNG KHI F(Z)=0 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH HỆ SỐ NÉN Z: THEO REDLICH KWONG BARXUK Z^3-Z^2-(m^2+m-d*m)Z-dm^2=0 b=Σbi*yi m=Pb/R/T d=Σdi*yi bi=0,0867RTc/Pc . PHẦN 1 HỆ THỐNG CÔNG NGHỆ DẦU KHÍ Mô hình tổng quát hệ thống công nghệ khai thác, thu gom, sử lý khí . Phần lớn các hệ thống sử lý dầu khí đều có các. TÁCH DẦU KHÍ. PHẦN 13 LÀM KHÔ KHÍ BẰNG GLYCOL PHẦN 14 LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ PHẦN 16 MÁY BƠM PHẦN 17 MÁY NÉN KHÍ PHẦN 18 TURBINE KHÍ PHẦN