chế biến khí bằng phương pháp chưng cất khí nhiệt độ thấp

Ngành dầu khí Việt Nam là một ngành mới phát triển được hơn 20 năm nhưng đã chiếm một phần quan trọng trong sự phát triển của đất nước. Đặc biệt là ngành công nghiệp chế biến dầu khí. Đây là một trong những tiền đề cơ bản để phát triển các ngành công nghiệp quan trọng của đất nước. Cùng với quá trình khai thác và chế biến dầu thô, thì ngành công nghiệp chế biến khí hiện đang phát triển mạnh mẽ. Sản phẩm của các nhà máy chế biến khí của Việt Nam hiện nay là khí khô thương phẩm, LPG và condensate. Trong đó có hai loại sản phẩm LPG và Condensate đã được tận dụng triệt để mang lại hiệu quả kinh tế mang lại hiệu quả kinh tế cho quốc gia. Sản phẩm khí khô thương phẩm mà thành phần chủ yếu là khí metan và etan, phần lớn được dùng làm nhiên liệu cho các nhà máy điện, chiếm 85 – 90% sản lượng khí, có giá trị kinh tế thấp. Trong khi đó, lượng khí dùng làm nguyên liệu cho các nhà máy đạm Cà Mau và đạm Phú Mỹ, chỉ chiếm 6% . Cùng với sự phát triển khoa học kĩ thuật, từ khí tự nhiên và khí đồng hành người ta đã sản xuất ra nhiều sản phẩm khác nhau như: rượu, axeton, NH3, phân bón, chất tẩy rửa tổng hợp… được ứng dụng trong nhiều ngành như: mỹ phẩm, dệt may, đồ gia dụng… phục vụ cho công nghiệp và đời sống nhân dân. Chính vì những lợi ích to lớn mà nghành dầu khí nói chung và ngành chế biến khí nói riêng đem lại thì việc đầu tư và phát triển công nghiệp ngành công nghiệp mũi nhọn này là một đi đúng hướng của đảng và nhà nước ta nhằm thúc đẩy kinh tế và cải thiện đời sống nhân dân. Trong phạm vi đồ án này ta chỉ nghiên cứu phương pháp chế biến khí bằng phương pháp chưng cất nhiệt độ thấp, vì phương pháp này vừa đơn giản mà cho hiệu quả cao, tiết kiệm năng lượng, và có tính khả thi tại Việt Nam

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Ngành dầu khí Việt Nam là một ngành mới phát triển được hơn 20 năm nhưng

đã chiếm một phần quan trọng trong sự phát triển của đất nước Đặc biệt làngành công nghiệp chế biến dầu khí Đây là một trong những tiền đề cơ bản đểphát triển các ngành công nghiệp quan trọng của đất nước

Cùng với quá trình khai thác và chế biến dầu thô, thì ngành công nghiệp chếbiến khí hiện đang phát triển mạnh mẽ Sản phẩm của các nhà máy chế biến khícủa Việt Nam hiện nay là khí khô thương phẩm, LPG và condensate Trong đó cóhai loại sản phẩm LPG và Condensate đã được tận dụng triệt để mang lại hiệuquả kinh tế mang lại hiệu quả kinh tế cho quốc gia

Sản phẩm khí khô thương phẩm mà thành phần chủ yếu là khí metan và etan,phần lớn được dùng làm nhiên liệu cho các nhà máy điện, chiếm 85 – 90% sản lượng khí, có giá trị kinh tế thấp Trong khi đó, lượng khí dùng làm nguyên liệucho các nhà máy đạm Cà Mau và đạm Phú Mỹ, chỉ chiếm 6%

Cùng với sự phát triển khoa học kĩ thuật, từ khí tự nhiên và khí đồng hànhngười ta đã sản xuất ra nhiều sản phẩm khác nhau như: rượu, axeton, NH3, phânbón, chất tẩy rửa tổng hợp… được ứng dụng trong nhiều ngành như: mỹ phẩm,dệt may, đồ gia dụng… phục vụ cho công nghiệp và đời sống nhân dân

Chính vì những lợi ích to lớn mà nghành dầu khí nói chung và ngành chế biếnkhí nói riêng đem lại thì việc đầu tư và phát triển công nghiệp ngành công nghiệpmũi nhọn này là một đi đúng hướng của đảng và nhà nước ta nhằm thúc đẩy kinh

tế và cải thiện đời sống nhân dân

Trong phạm vi đồ án này ta chỉ nghiên cứu phương pháp chế biến khí bằngphương pháp chưng cất nhiệt độ thấp, vì phương pháp này vừa đơn giản mà chohiệu quả cao, tiết kiệm năng lượng, và có tính khả thi tại Việt Nam

CHƯƠNG I TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHÍ TỰ NHIÊN VÀ KHÍ ĐỒNG HÀNH

1 Thành phần và tính chất chung của khí tự nhiên và khí đồng hành.

Những cấu tử cơ bản của khí tự nhiên và khí đồng hành là: metan, etan ,propan, butan (normal và izo)

Khí tự nhiên được khai thác từ các mỏ khí, còn khí đồng hành được khaithác từ các mỏ dầu đồng thời với quá trình khai thác dầu mỏ Trong khí tựnhiên thành phần chủ yếu là metan (chiếm đến 98% thể tích) Các mỏ khí tự nhiên

là các túi khí nằm sâu dưới mặt đất

Khí đồng hành nhận được từ các mỏ dầu cùng với quá trình khai thácdầu mỏ Trong thành phần của khí đồng hành ngoài cấu tử chính là metancòn có etan, propan, butan và các hydrocacbon nặng với hàm lượng đáng kể.Thành phần những cấu tử cơ bản trong khí thay đổi trong phạm vi khá rộngtùy theo mỏ dầu khai thác

Ngoài ra trong thành phần khí tự nhiên và khí đồng hành còn có H2O, H2S,cùng các hợp chất chứa lưu huỳnh, S, N2 và heli

Người ta còn phân loại khí theo hàm lượng hydrocacbon từ propan trở lên.Khí giàu propan, butan và các hydrocacbon nặng (trên 150g/m3) được gọi là khíbéo (khí dầu) Từ khí này người ta chế xăng khí, khí hóa lỏng LPG và cáchydrocacbon cho công nghệ tổng hợp hữu cơ Còn khí chứa ít hydrocacbon nặng(từ propan trở lên, dưới mức 50g/m3) gọi là khí khô (khí gầy), được sử dụng làmnhiên liệu cho công nghiệp và đời sống, làm nguyên liệu cho công nghệ tổng hợphữu cơ, nguyên liệu cho sản xuất phân đạm, sản xuất etylen, axetylen, etanol… Trữ lượng khí nước ta có thể phát hiện ước tính vào khoảng 1.300 tỷ m3 khốikhí Trữ lượng này phân bố trên toàn lãnh thổ nhưng chủ yếu là ở các bể Nam Côn

Rồng (lô 09) Rạng đông

(lô 09)

Ruby (lô 09) Khí

tự do đồng hànhKhí Metal C 1

84,77 7,22 3,46 1,70 1,30 - - -

76,54 6,89 8,25 0,78 0,50 - - -

77,62 10,04 5,94 2,83 0,97 0,33 0,42 -

78,02 10,67 6,70 1,74 0,38 0,60 0,07 -

Bảng 1.1 Thành phần khí ở bể Cửu Long (% theo thể tích)

79,74 9,10 2,80 0,50 0,16 7,30 - - 0,4

98,5 0,87 0,17 0,06 0,10 - 0,30 - -

90,06 4,05 1,51 1,11 0,74 1,83 0,70 - -

92,76 3,03 1,36 0,80 1,64 - 0,41 - -

Bảng 1.2 Thành phần khí ở một số bể nước Mỹ

2 Lịch sử phát triển của khí tự nhiên

Khí tự nhiên đã được phát hiện từ thời cổ đại ở Trung Đông Hàng ngàn nămtrước, nó được chú ý đến khi xuất hiện ngọn lửa cháy mãi không tắt do sét đánh tạinhững nơi khí rò rỉ Tại Persia, Hy Lạp và Ấn Độ, họ đã xây dựng những đền thờixung quanh những nơi đó để phục vụ tôn giáo Tuy nhiên, giá trị về năng lượngkhông được chú ý cho đến tận những năm 900 TCN, người Trung Quốc đãkhoan giếng khí tự nhiên đầu tiên vào năm 211 TCN

Tại Châu Âu, khí tự nhiên không được biết đến cho đến khi được phát hiệntại Anh vào năm 1659, mặc dù đến tận 1790 nó mới được thương mại hóa Năm

1821 tại Fredonia, Mỹ người dân đã phát hiện thấy những bọt khí nổi lên tại mộtcon lạch Wiliam Hart, được coi cha đẻ của ngành khí thiên nhiên, đã đào giếng khíđầu tiên tại Bắc Mỹ

Trước đây, khí thiên nhiên được phát hiện như là hệ quả của quá trình thăm dòdầu thô Khí tự nhiên được coi là sản phẩm không mong muốn, trong quá trìnhkhoan dầu gặp phải mỏ khí, công nhân phải dừng khoan và để khí tự do thoát

ra ngoài

Cho đến tận những năm 70 của thế kỉ trước, cuộc khủng hoảng dầu mỏ xảy rakhiến khí tự nhiên trở thành một trong những nguồn năng lượng quan trọng bậcnhất trên thế giới Trong suốt thế kỉ 19, khí tự nhiên hầu hết chỉ được dùng để chiếusáng tại chỗ do khó khăn trong việc vận chuyển đường dài

Đến năm 1890 với sự phát minh chống rò rỉ khớp ống nối đã dẫn đến sự thayđổi quan trọng Nhưng phải đến tận những năm 1920, cùng với sự phát triển củacông nghệ đường ống, vận chuyển khí tự nhiên đường dài mới được đưa vào thực

tế Tuy nhiên, chỉ sau Chiến tranh Thế giới thứ II thì khí thiên nhiên mới phát triểnmạnh mẽ do sự tiến bộ trong hệ bồn chứa và vận chuyển khí

Nước Nga là nước có trữ lưỡng khí lớn nhất thế giới, chiếm khoảng23,9% Cho đến năm 2010, tổng sản lượng khí đạt khoảng 588,9 tỉ m3 khí Trong

đó khoảng 1/3 dùng để xuất khẩu sang châu Âu và các nước SNG Nguồn lợi thu

từ việc xuất khẩu dầu và khí vô cùng to lớn khi chiếm đến 25% GDP của nướcNga

Ở Mỹ, khí đốt có vai trò cực kì quan trọng khi chiếm 23% tổng nănglượng sử dụng Từ etan đã chế biến 40% etylen phục vụ cho sản xuất nhựa tổnghợp, oxit etylen, chất hoạt động bề mặt, nhiều sản phẩm và bán sản phẩm hóa họckhác Ngoài ra từ khí tự nhiên và khí đồng hành, sau khi làm sạch và chế biếnkhí người ta còn nhận được một lượng lớn lưu huỳnh, heli và một số sản phẩm

vô cơ khác phục vụ cho nhiều ngành kinh tế quốc dân Mỹ và Canada là mộttrong hai nước đứng đầu về sản xuất heli, một trong những sản phẩm quan trọngnhất trong công nghệ nghiên cứu vũ trụ, nghiên cứu kỹ thuật thâm lạnh, sắc ký Trong những năm gần đây các nước Trung đông (Iran, Arapxeut, Beren ) dựđịnh hoàn thành chương trình về khai thác, chế biến và vận chuyển khí đồng hànhvới tổng giá trị khoảng 33 tỉ USD Người ta nghĩ rằng điều này cho phép xuấtkhẩu khoảng 46 triệu tấn LPG mỗi năm

Riêng ở Việt Nam ngành dầu khí nước ta tuy mới hình thành và phát triểnnhưng với tiềm năng về khí khá phong phú, thì đây là một tiền đề quan trọng

để ngành công nghiệp này phát triển hơn Cho đến nay Việt Nam đang khai thác 6

mỏ dầu và 1 mỏ dầu khí, hình thành 4 cụm khai thác dầu quan trọng:

- Cụm mỏ thứ nhất : nằm ở vùng đồng bằng Bắc Bộ gồm nhiều mỏ khí nhỏ, trong

đó có Tiền Hải “C”, trữ lượng khoảng 250 m3/khí, đã bắt đầu khai thác từ tháng 12năm 1981với trên 450 triệu m3/khí phục vụ cho công nghiệp địa phương và lànguồn nguyên liệu cho công nghiệp khí ở các tỉnh phía Bắc

- Cụm mỏ thứ hai: thuộc vùng biển Cửu Long, gồm chứa 4 mỏ dầu : Bạch

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

- Cụm mỏ thứ ba: ở vùng biển Nam Côn Sơn gồm mỏ dầu Đại Hùng đang khai thác

và các 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 đưa vào khai thác

- Cụm mỏ thứ tư : tại thềm lục địa Tây Nam bao gồm mỏ Bungakclwa - Cái Nướcđang khai thác dầu, mỏ Bunga Orkid, Bunga Parkma, Bunga Rây tại khu vực thỏathuận thương mại Việt Nam – Malaysia là khu khai thác và cung cấp khí lớn thứhai và sẽ là cơ sở đảm bảo sự phát triển khu công nghiệp dầu khí ở Cà Mau – CầnThơ

Với tiềm năng về khí khá phong phú như vậy, Viêt Nam có nhiều điều kiệnphát triển công nghiệp khai thác và chế biến khí thúc đẩy mạnh hơn nền kinh

tế và đưa đất nước ta lên một tầm cao mới

II CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ BIẾN KHÍ TỰ NHIÊN VÀ KHÍ ĐỒNG HÀNH

1 Chuẩn bị để chế biến.

Khí sau khi khai thác ngoài các cấu tử chính là các hydrocacbon parafin cònchứa các tạp chất như: bụi, hơi nước, khí trơ, CO2, H2S và các hợp chất hữu cơ củalưu huỳnh

Trước khi đưa vào chế biến, khí cần phải qua công đoạn chuẩn bị, tại đó tiếnhành loại bỏ các tạp chất kể trên bằng quá trình tách bụi, tách hơi nước và khí axít

Có rất nhiều các phương pháp loại bỏ cơ học như:

- Làm sạch khí bằng phương pháp lắng

- Làm sạch khí bằng phương pháp ướt

- Làm sạch khí bằng phương pháp lọc

- Làm sạch khí bằng phương pháp điện trường

Các phương pháp trên có nhiều ưu nhược điểm:

- Đối với phương pháp lắng dưới của tác dụng của trọng lưc thì thiết bị cồngkềnh, hiệu quả thấp, nhưng đơn giản thông dụng

- Đối với phương pháp lọc dưới tác dụng của lực ly tâm thì thiết bị gọn hơn,song không thể lọc hoàn hảo được đối vơí hạt nhỏ, phương pháp tốn nhiều nănglượng

- Đối với phương pháp làm ướt thì khí làm nguội bão hào hơi nước nên một sốtrường hợp không dùng

- Độ sạch cao: 90-99%

- Năng lượng tiêu hao ít

- Trở lực không quá 3-5 mm cột nước

- Tiến hành ở nhiệt độ cao, trong môi trường ăn mòn hoá học

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

- Nhưng cũng có nhược điểm là tiền chi phí cao và tiêu hao điện năng lớn

Sự có mặt của nước trong khí có thể tạo hydrat, cản trở quá trình vận hành củacác thiết bị trong quá trình chế biến khí ( như bơm, quạt, máy nén…) Để hạn chếtác hại của hiện tượng này, khí cần được dehydrat bằng cách sấy khí hoặc trộnthêm 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 bớtlượng hơi nước và tạo ra cho khí có nhiệt độ điểm sương theo nước thấp hơn so vớinhiệt độ cực tiểu mà tại đó khí được vận chuyển hay chế biến

Có nhiều phương pháp để sấy khí:

- Sấy khí bằng phương pháp hấp thụ

- Sấy khí bằng phương 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 lưu huỳnh tathường sử dụng các dung môi hữu cơ sau:

- Làm sạch bằng dung môi Alkol amin

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

2 Phương pháp chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ.

Tiến hành chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ ở nhiệt độ thấp từ -25oCđến -35oC áp suất cao 3,0 – 4,0 Mpa Đây được coi là phương pháp có hiệu quả

và kinh tế hơn cả để chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành

Khí đồng hành từ xí nghiệp khai thác dầu được nén bằng máy nén khí sau đóđược làm lạnh và đưa vào thiết bị sấy khí để tách ẩm rồi được đưa qua thiết bị traođổi nhiệt và làm nguội sau đó khí được đưa đến thiết bị ngưng tụ nhiệt độ thấp.Tại đó, khí được nén và làm lạnh tới nhiệt độ âm cần thiết, sau đó hỗn hợp khíđược đưa sang bộ phận tách khí, lúc này một phần hydrocacbon đã ngưng tụ đượctách ra

Sau khi được nén và làm lạnh thì hỗn hợp khí bị tách ra thành hai phần:

Phần ngưng tụ (gọi là condesat) của bậc nén và làm lạnh Khí đồng hành đượcbơm từ thùng chứa qua bộ phận trao đổi nhiệt sang cột tách etan Tại đó phân đoạnchứa metan và etan được tách ra Sau đó benzin là phần ngưng tụ đã tách metan vàetan qua thiết bị trao đổi nhiệt vào bình chứa, từ đó nó được đưa đi chế biến tiếp Phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp để tách bezin từ khí đồng hành là phươngpháp rất tốn kém, để thực hiện được cần có thiết bị làm lạnh phức tạp Tuy nhiên

do sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản, mà hiệu quả tách benzin ra khỏi hỗn hợpkhí khá cao, triệt để nên phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong côngnghiệp chế biến khí

3 Chế biến khí bằng phương pháp hấp thụ

Ngoài chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ thì người ta còn áp dụngphương pháp hấp thụ để chế biến khí Phương pháp này dựa trên cơ sở của 2quá trình chuyển khối cơ bản: hấp thụ và nhả hấp thụ

Bản chất vật lý của quá trình là sự cân bằng giữa dòng khí và dònglỏng do sự khuếch tán chất từ pha này sang pha khác Khi đạt cân bằng bền độnglực, sự khuếch tán được xác định bằng hiệu số áp suất riêng phần của cấu tử bị tách

ra trong pha khí và pha lỏng Nếu áp suất riêng phần của cấu tử trong pha khí lớnhơn trong pha lỏng thì xảy ra quá trình hấp thụ (hấp thụ khí bởi chất lỏng) Vàngược lại, nếu áp suất riêng phần của cấu tử bị tách ra trong pha khí nhỏ hơn trongpha lỏng thì xảy ra quá trình nhả hấp thụ (thoát khí ra khỏi chất lỏng) Đối với cáctính toán thực tế, động lực của quá trình hấp thụ được biểu thị chính xác hơn khôngchỉ qua áp suất riêng phần mà còn qua nồng độ của các cấu tử tương ứng

Tại các nhà máy chế biến khí, quá trình hấp thụ và nhả hấp thụ được

cấu tạo kiểu tháp đĩa hoặc tháp đệm, chất hấp thụ được dùng ở đây là các phânđoạn benzin, kerosen hoặc hỗn hợp của chúng

4 Chế biến khí bằng phương pháp chưng cất.

Sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp được thực hiện quá trình tách các cấu từ địnhtrước hiệu quả hơn sơ đồ hấp thụ nhiệt độ thấp (HNT) và thiết bị chế tạo cũngđơn giản hơn

Khác nhau về mặt nguyên lý giữa hai sơ đồ CNT và NTT là ở chỗ nguyên liệu

đi vào thiết bị sau khi làm lạnh (không có sự tách sơ bộ mà được đưa thẳng vàotháp chưng Tại đó xảy ra sự phân tích riêng biệt khí nguyên liệu thành khí khô(thoát ra từ đỉnh tháp) và phân đoạn hydrocacbon nặng

III CƠ SỞ HÓA LÝ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT NHIỆT ĐỘ THẤP.

1. Khái niệm về quá trình chưng cất.

Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (hoặc khí hóa lỏng) thànhnhững cấu tử riêng biệt bằng cách gia nhiệt đến nhiệt độ bay hơi của các cấu tử,dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp

Chưng khác cô đặc : trong quá trình chưng các cấu tử đều bay hơi, còn trongquá trình cô đặc chỉ có dung môi bay hơi mà chất tan không bay hơi

3 1

P F

2

W

4

Hình 1.1 Sơ đồ chưng đơn giản.

1- Bình chưng 2- Hỗn hợp chưng 3- Thiết bị làm lạnh 4- Bếp đun.

F- Nguyên liệu P- Sản phẩm đỉnh W- Sản phẩm đáy.

Quá trình chưng bắt đầu với việc sản xuất rượu từ thế kỉ XI, ngày nay được ứngdụng rộng rãi để tách các hỗn hợp:

- Dầu mỏ, tài nguyên được khai thác ở dạng lỏng, 3 tỉ tấn/ năm

- Khí tự nhiên và khí đồng hành

- Không khí hóa lỏng, chưng cất ở -190oC để sản xuất oxy và nito

- Quá trình tổng hợp hữu cơ thường cho sản phẩm ở dạng lỏng Ví dụ sản xuấtmethanol, etylen…

- Công nghệ sinh học thường cho sản phẩm là hỗn hợp chất lỏng như nước từ quá trình lên men

etylic-Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm Thường thì có bao nhiêu cấu tử sẽ cóbấy nhiêu sản phẩm Trường hợp có 2 cấu tử theo sơ đồ chưng hình 1.1 thu được :

- Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần nhỏ cấu tử khó bay hơi(P)

- Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần nhỏ cấu tử dễbay hơi (W)

Để có thể thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết sẽ tiến hành chưng nhiều lần( chưng luyện ) Khi tiến hành chưng hoặc chưng luyện cần phân biệt theo:

- Áp suất làm việc : chân không, áp suất thường, áp suất cao

- Số lượng cấu tử trong hỗn hợp : hệ 2 cấu từ, hệ có 3 hoặc ít hơn 10 cấu tử,

hệ có nhiều hơn 10 cấu tử

- Phương thức làm việc liên tục hay gián đoạn

2. Quá trình chuyển pha của khí tự nhiên - khí đồng hành.

Giản đồ pha hệ nhiều cấu tử

Đối với hệ nhiều cấu tử, vị trí của các đường cong trên giản đồ pha phụ thuộcvào thành phần của hỗn hợp và các đường bao pha tạo thành không phải là mộtmặt phẳng, mà có chiều dày như hình cái lưỡi với thành phần là biến số phản

ánh chiều dày của đường bao pha Trên hình 1.2 thể hiện giản đồ pha hệ nhiềucấu tử trong đó trục tung là áp suất và trục hoành là nhiệt độ

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

- Điểm M là điểm tương ứng với áp suất lớn nhất mà tại đó hỗn hợp nhiều cấu tử tồntại ở trạng thái hai pha

- Điểm N: là điểm tương ứng với áp suất lớn nhất mà tại đố hỗn hợp nhiều cấu tửtồn tại ở trạng thái hai pha

- Bên trái đường cong điểm bọt hệ tồn tại ở trạng thái lỏng khi bắt đầu chạmtới đường cong điểm bọt thì hệ khí bắt đầu xuất hiện những bọt khí Khi sangđường cong điểm sương thì toàn bộ hỗn hợp khí trở thành hơi từ đường cong điểmbọt và đường cong điểm sương là miền mà tồn tại cân bằng giữa hai pha lỏng vàhơi

Hình 1.2 Giản đồ pha nhiều cấu tử

+ Đường ABDE: biểu diễn quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt suy biến điển hìnhtrong các mỏ khí condensate Điểm A biểu diễn pha lỏng chặt nằm bên ngoàiđường bao pha khi giảm áp suất tới điểm B bắt đầu quá trình ngưng tụ Tiếp tụcgiảm áp suất lượng lỏng hình thành nhiều hơn từ điểm “A” đến “D” nằm trongmiền suy biến được tạo bởi các điểm thay đổi độ dốc của các đường pha

+ Khi tiếp tục giảm áp suất ra khỏi miền suy biến đi từ D tới E thì lượng lỏnggiảm dần cho tới khi đạt điểm sương (E) phía dưới điểm E hệ không tồn tại ở trạngthái lỏng chỉ tồn tại ở trạng thái hơi

Điểm tới hạn C của hỗn hợp khí hydrocacbon luôn luôn ở phía bên trái củađiểm M và vị trí mà là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến sự thay đổi hướng củacác đường lỏng hơi bên trong đường bao pha Điểm tới hạn C có thể nằm bên phảiđiểm N thể hiện như hình dưới đây

Hình 1.4 Vị trí quỹ tích tới hạn của một số hệ bậc 2

Hình 1.3 Ảnh hưởng của

thành phần đến đường bao

pha của hệ metan - propan

Như vậy vị trí tới hạn trên mỗi đường bao pha thay đổi theo thành phần củahỗn hợp các hydrocacbon

Ngoài ra các tạp chất như phi hydrocacbon như: H2O, CO2, H2S, N2 cũng cónhững ảnh hưởng đáng kể đến đường bao pha của hỗn hợp khí trong điều kiệnnhiệt độ cao và áp suất thấp

- H2S, CO2 làm giảm điểm áp suất cực đại tồn tại lỏng hơi của hỗn hợp khí

- N2: Làm tăng điểm áp suất cực trị, tồn tại lỏng hơi hỗn hợp khí và giảm khảnăng trộn lẫn

3 Hằng số cân bằng pha.

Cân bằng pha của hỗn hợp khí không phải là trạng thái tĩnh mà là cân bằngđộng, vẫn luôn tồn tại sự chuyển đồng của các phân tử từ pha lỏng sang pha hơi vàngược lại, tốc độ bay và tốc độ ngưng tụ là bằng nhau

Đại lượng đặc trưng cho sự phân bố của các cấu tử giữa các pha ở điều kiệncân bằng là hằng số cân bằng pha K được xác định bằng phương trình :

Trong đó :

yi : là phần mol của cấu tử i trong pha hơi

xi : là phần mol của cấu tử i trong pha lỏng

Để xác định hằng số cân bằng pha của hệ nhiều cấu tử có nhiều cấu tử có cácphương pháp sau

- Phương pháp giải tích: sử dụng các phương trình trạng thái khác nhau, tínhtoán hệ số fugat và hoạt độ của cấu tử, để từ đó xác định hằng số cân bằng pha

- Phương pháp giản đồ: là các giản đồ thể hiện các giá trị của K tại áp suất vànhiệt độ xác định của từng chất Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ

xác định, sai số từ 5 – 10% Phổ biến nhất hiện nay là sử dụng các giản đồNGPA và Neyrey

4 Phương pháp tính thành phần lỏng hơi.

Xét phương trình cân bằng vật liệu toàn hệ :

F= V + L Với một cấu tử bất kì: F.Ci = V.yi + L.xi

Trong đó Ci : là phần mol của cấu tử i trong nguyên liệu vào tháp tách

yi : là phần mol cấu tử i trong pha hơi

xi : là phần mol cấu tử i trong pha lỏng

Ki: hằng số cân bằng pha lỏng – hơi

F : là tổng số mol nguyên liệu

V: là tổng số mol hơi

L: là tổng số mol lỏng

Giả sử F = 1 Ta có

Ci = V.yi + L.xiĐồng thời, theo định nghĩa hằng số cân bằng pha yi= K.xi, ta có

Tổng phần mol các cấu tử phải bằng 1, do đó

Bằng phương pháp lặp, chọn các giá trị L và K sao cho các biểu thức trên làđúng Mặt khác, có thể viết ∑yi – ∑xi = 0

Biểu thức trên là biểu thức tổng quá thường được sử dụng trong lập trình tínhtoán trên máy tính

IV CÁC CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT NHIỆT ĐỘ THẤP

Quá trình chưng cất nhiệt độ thấp (CNT) tách các cấu tử định trước hiệu quảhơn quá trình hấp thụ nhiệt độ thấp (HNT) và thiết bị chế tạo cũng đơn giản hơn.Khác nhau về nguyên lí giữa sơ đồ CNT và NNT ( ngưng tụ nhiệt độ thấp ) là ởchỗ nguyên liệu đi vào thiết bị sau khi làm lạnh ( toàn bộ hay một phần dòng khínguyên liệu ) không có sự tách sơ bộ mà đưa thẳng vào tháp chưng, tại đó xảy ra

sự phân tách riêng biệt khí nguyên liệu thành khí khô ở đỉnh tháp và phân đoạnhydrocacbon nặng, lấy ra ở đáy tháp

Phụ thuộc vào sơ đồ nguyên lý của quá trình chưng cất nhiệt độ thấp, thiệt bị cơbản của sơ đồ là các tháp chưng được chia thành tháp chưng - bốc hơi và thápngưng tụ - bốc hơi

đã truyền lạnh cho khí nguyên liệu tại thiết bị trao đổi nhiệt thu hồi

Hình 1.5 Tháp chưng – bốc hơi.

1.Thiết bị trao đổi nhiệt; 2 Tháp chưng bốc hơi; 3 Chu trình làm lạnh ngoài;

4 Thiết bị tách;

I Khí nguyên liệu; II Khí đã tách benzin; III Ống truyền nhiệt; IV.

Hydrocacbon nặng; V Hồi lưu

2. Tháp ngưng tụ - bốc hơi.

Tháp ngưng tụ - bốc hơi khác với tháp chưng bốc hơi khác với tháp chưng –bốc hơi ở chỗ hỗn hợp khí nguyên liệu đầu được trộn với sản phẩm đỉnh tháp, saukhi làm lạnh bằng chu trình làm lạnh ngoài bằng propan được đưa vào đĩa trêncùng của tháp chưng Trên hình 1.6 là sơ đồ tháp ngưng tụ - bốc hơi Trong sơ đồnày sản phẩm đỉnh tháp được trộn với dòng khí nguyên liệu, qua chu trình làm lạnhngoài có độ âm cần thiết, hỗn hợp đưa qua thiết bị tách 2, phần khí sản phẩm đưa

ra theo đường VI, còn phần lỏng được đưa vào đĩa trên cùng của tháp ngưng tụ bốc hơi.

-Hình 1.6 Tháp ngưng tụ - bốc hơi

1 Chu trình làm lạnh ngoài; 2 Tháp tách; 3 Tháp ngưng tụ bốc hơi;

I Khí nguyên liệu; ; II Khí đã tách benzin; III Ống truyền nhiệt; IV Hydrocacbon

nặng; V Hồi lưu; VI Sản phẩm đỉnh tháp

Trong quá trình làm việc của tháp chưng, việc tăng áp suất sẽ làm giảm khôngđáng kể năng lượng cho công đoạn làm lạnh, nhưng năng lượng tiêu tốn chung choquá trình sẽ giảm đáng kể vì quá trình được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn Chỉ sốhồi lưu tính toán trong khoảng 1,55-1,78

Thông thường trong công nghiệp tháp chưng có 13 đến 17 đĩa lý thuyết

Khi sử dụng chu trình làm lạnh bằng propan và yêu cầu nhận sản phẩm C≥3, cácthông số của quá trình như sau : nhiệt độ đỉnh tháp -23oC-30 oC, áp suất trong tháp2,5-3,5 MPa.

Sơ đồ tháp chưng - bốc hơi có ưu điểm là tận dụng được dòng sản phẩm ra đểlàm lạnh ngưng tụ nguyên liệu đầu, hiệu suất tách cao do có hồi lưu sản phẩmđỉnh Còn sơ đồ tháp ngưng tụ - bốc hơi lại có ưu điểm là chỉ sử dụng một thiết bịlàm lạnh vừa hồi lưu sản phẩm đỉnh, vừa ngưng tụ khí nguyên liệu đầu, thiết bịđơn giản hơn so với tháp chưng - bốc hơi Để tận dụng được các ưu điểm của cả 2

sơ đồ này, người ta đã nghiên cứu sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp với 2 đườngnguyên liệu vào tháp

3. CNT có hai đường đưa nguyên liệu vào tháp.

Hình 1.7 Sơ đồ CNT có hai đường đưa nguyên liệu vào tháp.

1 Thiết bị trao đổi nhiệt; 2 Làm lạnh bằng propan; 3 Thiết bị tách ba pha; 4 Thiết bị

bơm ; 5 Tháp chưng; 6 Đun nóng đáy tháp;

I Khí nguyên liệu; II Khí khô; III Phân đoạn Hydrocacbon nặng;

IV; DEG thu hồi V DEG 98%; VI Chất tải nhiệt.

Trên hình 1.7 là sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp với hai đường đưa nguyên liệuvào tháp Sơ đồ này hợp lí hơn sơ đồ 1 đường nguyên liệu vào tháp về mặt độnghọc, tiết kiệm khoảng 10% năng lượng, và quá trình được thực hiện ở nhiệt độ caohơn Nhà máy chế biến khí Belarus ( CHLB Nga cũ ) đang sử dụng công nghệ chếbiến khí này Theo sơ đồ của nhà máy Belarus, dòng khí nguyên liệu chia thành 2dòng

- Một dòng không làm lạnh đi vào phần giữa của tháp, chiếm 60% thể tích dòngtổng

- Dòng thứ 2 chiếm 40% dòng tổng, được làm lạnh trong thiết bị trao đổi nhiệt 1 bởidòng khí đi ra từ đỉnh tháp 5, sau đó được trộn với sản phẩm đỉnh tháp trong thiết

bị bay hơi propan 2 đến nhiệt độ -250C, một phần bị ngưng tụ Hỗn hợp 2 pha từ

từ thiết bị bay hơi propan được dẫn vào tháp tách 3, tại đây, khí được tách khỏicondensate Khí sau khi truyền phần lạnh trong thiết bị trao đổi nhiệt 1 được đưa đi

sử dụng Phần lỏng qua bơm 4 đi vào phần trên của tháp 5

Nhiệt độ tháp tách 3 được duy trì ở -27oC Sản phầm đỉnh tháp chưng 5 đượchỗn hợp với dòng khí nguyên liệu đã qua làm lạnh 1 Nhiệt độ cung cấp cho đáytháp 5 do dòng chảy tuần hoàn qua thiết bị đun nóng 6 Nhiệt độ đáy tháp là 100oC

Từ đáy tháp nhận được phân đoạn hydrocacbon nặng

4. CNT có tuabin giãn nở khí.

Hình 1.8 Sơ đồ CNT có tuabin giãn nở khí 1,3 Các tháp tách; 2 Máy nén; 4 Thiết bị trao đổi nhiệt;

5. Tuabin giãn nở khí; 6 Tháp chưng.

I. Khí nguyên liệu; II Khí khô; III Phân đoạn các hydrocacbon nặng;

IV Propan

Khí nguyên liệu đi vào thiết bị được làm lạnh bởi dòng khí khô và propan đingược lại trong thiết bị trao đổi nhiệt có nhiều lối vào 4, và được dẫn vào thápchưng 6 Sản phẩm đỉnh tháp chưng 6 đưa vào tuabin giãn nở khí 5, sau khi giãn

nở quay lại làm lạnh đỉnh tháp 6, sau đó đ qua thiết bị trao đổi nhiệt 4, và đưa đi sửdụng (II) Từ đáy tháp 6 nhận được phân đoạn các hydrocacbon nặng, sau khi hỗnhợp với propan trước khi vào tháp 4 sẽ truyền phần lạnh cho khí nguyên liệu trongtháp 4 và đi ngược vào tháp tách 1 Trong tháp tách 1 duy trì áp suất sao cho từđỉnh tháp nhận được propan có độ sạch cần thiết Từ đáy tháp nhận được phânđoan chứa các hydrocacbon nặng Propan được nén bằng máy nén 2, sau khi đượclàm lạnh đi vào tháp tách 3 Tại đây các cấu tử nhẹ không ngưng tụ được tách ra vàđược hỗn hợp với dòng khí nguyên liệu vào, còn propan lỏng đi vào thiết bị bayhơi propan để làm lạnh dòng khí nguyên liệu đi vào thiết bị trao đổi nhiệt 4