Công nghệ chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành

Nguyễn thị Minh Hiền Công nghệ Chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành (Tái bản có sửa chữa và bổ sung) Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2004 3 Lời Giới thiệu Lời Giới thiệuLời Giới thiệu Lời Giới thiệu Từ tháng 12 năm 1998 Nhà máy xử lý khí Dinh Cố, nhà máy xử lý khí đầu tiên của nớc ta đã chính thức đi vào hoạt động, cung cấp LPG phục vụ cho công nghiệp và dân dụng. Các dự án Khí Điện Đạm số I ở Vũng Tàu, dự án Khí Điện Đạm số II ở Cà Mau đã và đang triển khai thực hiện, nhằm sử dụng có hiệu quả nguồn nguyên liệu khí thiên nhiên và khí đồng hành của đất nớc. Trớc sự phát triển của ngành công nghiệp dầu khí nói chung và của ngành công nghiệp chế biến khí nói riêng, nhu cầu đào tạo kỹ s và kỹ thuật viên hàng năm ngày càng tăng. Cuốn Công nghệ chế biến khí thiên nhiên và khí đồng hành đợc biên soạn nhằm mục đích giới thiệu cho các kỹ s, kỹ thuật viên và sinh viên chuyên ngành Công nghệ Hoá dầu và khí những kiến thức cơ bản về các phơng pháp tính toán hỗn hợp các hydrocacbon từ C 1 đến C 10 , H 2 O, CO 2 , H 2 S, các cấu tử chính trong thành phần khí tự nhiên và khí đồng hành, phục vụ cho việc tính toán thiết kế các quá trình công nghệ xử lý khí. Đồng thời cuốn sách cũng đề cập đến một số quá trình công nghệ chuyển hoá khí tự nhiên và khí đồng hành thành các hợp chất chủ yếu sử dụng làm nguyên liệu cho công nghệ tổng hợp hữu cơ - hoá dầu. Cuốn sách đợc chia làm ba phần: Phần I: Thành phần và tính chất của khí tự nhiên và khí đồng hành. Trong phần này giới thiệu thành phần, tính chất và phơng pháp tính toán các đại lợng nhiệt động của hỗn hợp khí tự nhiên và khí đồng hành. Trong mỗi chơng đều có các bài toán ví dụ áp dụng làm sáng tỏ lý thuyết, củng cố các kiến thức cơ bản. Tác giả cũng đã đa vào trong phần này các đồ thị thực nghiệm rất cần thiết cho việc tính toán thiết kế công nghệ. Phần II: Các quá trình công nghệ cơ bản chế biến khí, bao gồm các công nghệ làm sạch khí khỏi các tạp chất (tách bụi, làm ngọt khí, sấy khí) và các quá trình công nghệ chế biến hiện đang đợc sử dụng phổ biến. Đó là 4 các quá trình công nghệ ngng tụ nhiệt độ thấp, hấp thụ nhiệt độ thấp và chng cất nhiệt độ thấp. Tuỳ theo thành phần hỗn hợp khí đa vào chế biến và yêu cầu mức độ tách các cấu tử định trớc mà lựa chọn giải pháp công nghệ thích hợp. Lần tái bản này có bổ sung công nghệ của Nhà máy xử lý khí Dinh Cố (Bà Rịa Vũng Tàu). Phần III: Chuyển hoá khí tự nhiên và khí đồng hành, bao gồm các quá trình công nghệ cơ bản chuyển hoá khí thành khí tổng hợp, metanol, amoniac, axetylen , là những nguyên liệu quan trọng cho tổng hợp hữu cơ - hoá dầu. Mặc dù tác giả đã dành nhiều nỗ lực nhng do biên soạn lần đầu, nên chắc không tránh khỏi còn thiếu sót. Rất mong các bạn đồng nghiệp và bạn đọc góp ý bổ sung để cuốn sách đợc hoàn thiện hơn trong các lần tái bản sau. GS. TS. Đào Văn Tờng 5 Mục lục Lời giới thiệu 3 Các ký hiệu dùng trong sách 9 Phần I Thành phần và tính chất của khí tự nhiên và khí đồng hành 11 Chơng I Giới thiệu về khí tự nhiên và khí đồng hành 13 I.1. Thành phần và các đặc tính của khí tự nhiên và khí đồng hành 13 I.2. Chế biến và sử dụng khí tự nhiên và khí đồng hành trên thế giới 15 I.3. Chế biến và sử dụng khí tự nhiên và khí đồng hành ở Việt Nam 17 Chơng II Các tính chất của khí tự nhiên và khí đồng hành 19 II.1. Phơng trình trạng thái của các hydrocacbon 19 II.2. Giản đồ pha hệ một cấu tử 21 II.3. Giản đồ pha hệ nhiều một cấu tử 24 II.4. Cân bằng pha lỏng hơi 27 II.5. Phơng pháp giải tích xác định hằng số cân bằng pha của hỗn hợp các hydrocacbon 31 II.6. Phơng pháp giản đồ xác định hằng số cân bằng pha của hỗn hợp các hydrocacbon 40 II.7. ứng dụng của hằng số cân bằng pha 51 Chơng III Các thông số nhiệt động của các hydrocacbon riêng biệt và hỗn hợp của chúng 55 III.1. Nhiệt độ sôi và áp suất hơi bo hoà 55 6 III.2. Các đại lợng tới hạn 58 III.3. Thông số acentric 72 III.4. Các tính chất của hydrocacbon ở trạng thái lỏng 73 Chơng IV Tính chất của hệ hydrocacbon và nớc 77 IV.1. Hàm ẩm của khí 77 IV.2. Các phơng pháp xác định hàm ẩm của khí 77 IV.3. ảnh hởng của nitơ và các hydrocacbon nặng đến hàm ẩm của khí 92 IV.4. Hàm ẩm cân bằng của các hydrat 93 IV.5. Sự tạo thành hydrat 94 IV.6. Dự đoán khả năng tạo thành hydrat 97 Phần II Các quá trình công nghệ cơ bản chế biến khí 111 Chơng V Chuẩn bị khí để chế biến 113 V.1. Làm sạch khí khỏi các tạp chất cơ học 113 V.2. Các phơng pháp hạn chế sự tạo thành hydrat trong quá trình chế biến khí 116 V.3. Làm sạch khí khỏi H 2 S và CO 2 (làm ngọt khí) 127 Chơng VI Chế biến khí bằng phơng pháp ngng tụ 131 VI.1. Sơ đồ ngng tụ nhiệt độ thấp có chu trình làm lạnh ngoài 132 VI.2. Sơ đồ ngng tụ nhiệt độ thấp có chu trình làm lạnh trong 143 VI.3. Sơ đồ ngng tụ nhiệt độ thấp có chu trình làm lạnh tổ hợp 147 7 Chơng VII Chế biến khí bằng phơng pháp hấp thụ 155 VII.1. Sơ đồ nguyên lý công nghệ chế biến khí bằng phơng pháp hấp thụ 155 VII.2. Các thông số công nghệ của quá trình chế biến khí bằng phơng pháp hấp thụ nhiệt độ thấp 159 VII.3. Các phơng trình cơ bản tính toán quá trình hấp thụ 162 VII.4. Các sơ đồ công nghệ hấp thụ nhiệt độ thấp hiện đại 166 Chơng VIII Chế biến khí bằng phơng pháp chng cất 176 Chơng IX Phạm vi ứng dụng của các quá trình chế biến khí 181 Phần III Chuyển hoá khí tự nhiên và khí đồng hành 185 Chơng X Oxy hoá ghép đôi metan 187 X.1. Xúc tác và cơ chế quá trình oxy hoá ghép đôi metan 187 X.2. Các thiết bị phản ứng nghiên cứu quá trình oxy hoá ghép đôi metan 192 Chơng XI Các công nghệ chuyển hoá metan thành khí tổng hợp 194 XI.1. Cơ chế quá trình 194 XI.2. Các quá trình công nghệ cơ bản 195 XI.3. Các quá trình công nghệ phát triển 202 XI.4. So sánh về năng lợng và giá cả 204 8 Chơng XII Công nghệ tổng hợp metanol 206 XII.1. Công nghệ tổng hợp metanol trực tiếp từ metan 206 XII.2. Công nghệ sản xuất metanol từ khí tổng hợp 209 Chơng XIII Công nghệ tổng hợp amoniac 223 XIII.1. Cơ sở hoá lý của quá trình tổng hợp amoniac 223 XIII.2. Công nghệ tổng hợp amoniac 227 Chơng XIV Công nghệ tổng hợp axetylen 233 XIV.1. Cơ sở hoá lý của quá trình phân huỷ hydrocacbon để sản xuất axetylen 233 XIV.2. Công nghệ sản xuất axetylen 242 Phụ lục 257 Phụ lục 1. Hằng số cân bằng pha K 259 Phụ lục 2. Các hệ đơn vị đo và quan hệ giữa chúng 263 Tài liệu tham khảo 288 9 Các ký hiệu dùng trong sách Thừa số acentric Tỷ trọng Hệ số hiệu chỉnh đối với khí chua i Hệ số fugat của cấu tử i i Hệ số hoạt độ của cấu tử i a i Hoạt độ của cấu tử i C 3 Các hydrocacbon parafin từ propan trở lên f i Fugat của cấu tử i f i K Fugat của cấu tử i ở trạng thái khí f i L Fugat của cấu tử i ở trạng thái lỏng f i o Fugat của cấu tử i tinh khiết f w Fugat của hơi nớc g i Khối lợng của cấu tử i k Hằng số tốc độ của phản ứng K P Hằng số cân bằng của phản ứng K i Hằng số cân bằng pha của cấu tử i K r-k Hằng số cân bằng rắn - khí M i Khối lợng phân tử của cấu tử i n i Số mol cấu tử i P áp suất, MPa (hệ SI), psi (hệ Anh) P * áp suất hơi của hỗn hợp ở nhiệt độ T = 0,7T c P c áp suất tới hạn P c áp suất giả tới hạn (của hỗn hợp) P ci áp suất tới hạn của cấu tử i P qt áp suất quy tụ P r áp suất rút gọn P r áp suất giả rút gọn (của hỗn hợp) Q Hiệu ứng nhiệt, kJ/mol 10 t Nhiệt độ, o C (hệ SI), o F (hệ Anh) T Nhiệt độ tuyệt đối, K T c Nhiệt độ tới hạn T c Nhiệt độ giả tới hạn (của hỗn hợp) T ci Nhiệt độ tới hạn của cấu tử i T r Nhiệt độ rút gọn T r Nhiệt độ giả rút gọn (của hỗn hợp) v i Nồng độ phần thể tích của cấu tử i V c Thể tích tới hạn V c Thể tích giả tới hạn (của hỗn hợp) V ci Thể tích tới hạn của cấu tử i V i Thể tích của cấu tử i V r Thể tích rút gọn V r Thể tích giả rút gọn (của hỗn hợp) W Hàm ẩm của hỗn hợp khí chua W 1 Hàm ẩm của CO 2 W 2 Hàm ẩm của H 2 S W hc Hàm ẩm của hỗn hợp các hydrocacbon (khí ngọt) x i Nồng độ phần mol của cấu tử i x i Nồng độ phần khối lợng của cấu tử i x w Phần mol của nớc trong pha lỏng y w Phần mol của nớc trong pha hơi z Hệ số chịu nén Các chữ viết tắt LPG (Liquefied Petroleum Gas) Khí đồng hành hoá lỏng LNG (Liquefied Natural Gas) Khí tự nhiên hoá lỏng CNG (Compressed Natural Gas) Khí tự nhiên nén 11 phÇn I Thµnh phÇn vµ tÝnh chÊt cña khÝ tù nhiªn vµ khÝ ®ång hµnh [...]...12 Chơng I Giới thiệu về khí tự nhiên và khí đồng hành I.1 Thành phần và các đặc tính của khí tự nhiên và khí đồng hành Những cấu tử cơ bản của khí tự nhiên v khí đồng h nh l : metan, etan, propan, butan (normal v izo) Khí tự nhiên đợc khai thác từ các mỏ khí, còn khí đồng h nh đợc khai thác từ các mỏ dầu đồng thời với quá trình khai thác dầu mỏ Trong khí tự nhiên th nh phần chủ yếu l metan... nh: công nghệ chế tạo thiết bị, vấn đề khai thác v vận chuyển khí, sử dụng nguyên liệu v sản phẩm Đó l những vấn đề rất phức tạp, để giải quyết cần phải xuất phát từ điều kiện sử dụng hợp lý nguồn t i nguyên khí tự nhiên v khí đồng h nh của từng nớc I.3 Chế biến và sử dụng khí tự nhiên và khí đồng Hành ở Việt nam Cho đến nay Việt Nam đang khai thác 6 mỏ dầu v 1 mỏ khí, hình th nh 4 cụm khai thác dầu khí. .. trình công nghệ chế biến khí Có những nh máy tại đó các quá trình công nghệ cơ bản đợc 16 thực hiện trong một bloc ở Mỹ v Canađa đ có dây chuyền công nghệ với công suất 4 tỷ m 3 /năm, nhờ đó giảm vốn đầu t, giảm nhân công phục vụ v tăng độ tin cậy của các nguyên công trong nh máy chế biến khí Tăng công suất các nh máy chế biến khí đ tăng nhịp độ phát triển của công nghiệp chế biến khí Điều đó còn phụ... máy chế biến khí đợc bảo quản dới lòng đất cho đến khi trữ lợng heli từ khí tự nhiên v khí đồng h nh đ cạn sẽ đợc mang ra sử dụng, bởi vì tách heli từ không khí có chi phí cao hơn rất nhiều Trong những năm gần đây, ở nhiều nớc có xu hớng tăng công suất các nh máy chế biến khí Tại các nh máy chế biến khí mới xây dựng, ngời ta đ lắp đặt các thiết bị mới thực hiện đồng thời một v i quá trình công nghệ chế. .. nh mỏ Bạch Hổ, Rồng, Đại Hùng l rất thuận lợi cho chế biến v sử dụng, an to n thiết bị v không gây ô nhiễm môi trờng I.2 Chế biến sử dụng khí tự nhiên và khí đồng hành trên thế giới Khí tự nhiên v khí đồng h nh đợc khai thác từ trong lòng đất l hỗn hợp các hydrocacbon của d y metan gồm có: metan, etan, propan, butan Ngo i ra trong th nh phần của khí còn có: He, N 2 , CO 2 , H 2 S Số lợng v h m lợng... xây dựng những nh máy có công suất lớn sản xuất etylen, polyetylen, styren, v các sản phẩm hoá dầu khác ảrập Xêut dự định sẽ đạt 8% tổng sản lợng thế giới về những sản phẩm đó Trong năm 1978, ở các nớc t bản (trừ Mỹ) đ đầu t 3,2 tỉ đô la để xây dựng những nh máy chế biến khí, chiếm khoảng 50% tổng số đầu t cho công nghiệp chế biến dầu Khí tự nhiên v khí đồng h nh không chỉ l nhiên liệu v nguyên liệu... mỏ khí tự nhiên l các túi khí nằm sâu dới mặt đất Khí đồng h nh nhận đợc từ các mỏ dầu cùng với quá trình khai thác dầu mỏ Trong th nh phần của khí đồng h nh ngo i cấu tử chính l metan còn có etan, propan, butan v các hydrocacbon nặng với h m lợng đáng kể Th nh phần những cấu tử cơ bản trong khí thay đổi trong một phạm vi khá rộng tuỳ theo mỏ dầu khai thác Ngo i ra trong th nh phần khí tự nhiên v khí. .. Metan l th nh phần chính trong khí tự nhiên, đợc sử dụng chủ yếu l m nhiên liệu cho lò nung v nồi hơi Etan, propan, butan v hydrocacbon nặng dùng chủ yếu cho công nghiệp tổng hợp hữu cơ Vì vậy ở CHLB Nga v các nớc công nghiệp phát triển, việc sử dụng hợp lý các hydrocacbon có ý nghĩa rất to lớn Khí đồng h nh v khí tự nhiên l nguồn chính cung cấp các nguyên liệu quan trọng cho công nghiệp hoá học v hoá dầu,... phần khí tự nhiên v khí đồng h nh còn có H 2 O, H 2 S cùng các hợp chất chứa lu huỳnh, CO 2 , N 2 v heli Ngời ta còn phân loại khí theo h m lợng hydrocacbon từ propan trở lên Khí gi u propan, butan v các hydrocacbon nặng (trên 150 g/m 3 ) đợc gọi l khí béo (hoặc khí dầu) Từ khí n y ngời ta chế đợc xăng khí, khí hoá lỏng (LPG) v các hydrocacbon cho công nghệ tổng hợp hữu cơ Còn khí chứa ít hydrocacbon... Khi l m sạch v chế biến khí ngời ta còn nhận đợc một lợng lớn lu huỳnh, heli v một số sản phẩm vô cơ khác cho nhiều ng nh kinh tế quốc dân Canađa l nớc đứng thứ hai trong số các nớc phát triển về sản xuất các hợp chất chứa lu huỳnh từ công nghiệp chế biến khí tự nhiên Mỹ đứng đầu về sản xuất heli, một trong những sản phẩm quan trọng nhất trong công nghệ nghiên cứu vũ trụ, nghiên cứu khí quyển, kỹ thuật . tính của khí tự nhiên và khí đồng hành 13 I.2. Chế biến và sử dụng khí tự nhiên và khí đồng hành trên thế giới 15 I.3. Chế biến và sử dụng khí tự nhiên và khí đồng hành ở Việt Nam 17 . Chơng I Giới thiệu về khí tự nhiên và khí đồng hành I.1. Thành phần và các đặc tính của khí tự nhiên và khí đồng hành Những cấu tử cơ bản của khí tự nhiên và khí đồng hành là: metan, etan,. Thành phần và tính chất của khí tự nhiên và khí đồng hành 11 Chơng I Giới thiệu về khí tự nhiên và khí đồng hành 13 I.1. Thành phần và các đặc tính của khí tự nhiên