Phương pháp chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp

Phương pháp chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp

MỞ ĐẦU

Ngành dầu khí nước tuy là một ngành mới hình thành và phát triểnđược hơn 20 năm nhưng đã có những đóng góp ngày càng to lớn về nhiềumặt cho sự phát triển của đất nước Đặc biệt là sự ra đời của ngành côngnghiệp chế biến dầu khí Đây là một trong những tiền đề quan trong hàngđầu và là nguồn nguyên liệu chủ yếu để phát triển nhiều ngành công nghiệpmới

Cùng với quá trình khai thác dầu thô, thì nghành công nghiệp dầu khí

đã hình thành từ năm 1995 và hiện đang phát triển một cách mạnh mẽ Trênđất nước ta hiện nay đã triển khai xây dựng nhiều chương trình về khai thác

và chế biến khí vào năm 2002 đã cung ứng kịp thời chho sản xuất côngnghiệp và tiêu dùng gần 147 000 tấn condensate và 349 000 tấn PLG thaythế cho hàng nhập khẩu

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật từ khí tự nhiên và khíđồng hành người ta đã sản xuất ra nhiều sản phẩm khác nhau như: rượu,axeton, andehyt, NH3, chất dẻo sợi, phân bón, dầu nhờn, chất tẩy rửa tổnghợp … và là nguồn nguyên liệu cho các ngành như: mỹ phẩm, công nghiệp,

in, dệt may…phục vụ nhiều cho công nghiệp và đời sống của nhân dân

Chính vì những lợi ích to lớn mà nghành dầu khí nói chung và ngànhchế biến khí nói riêng đem lại thì việc đầu tư và phát triển công nghiệpngành công nghiệp mũi nhọn này là một đi đúng hướng của đảng và nhànước 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 khíbằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp vì phương pháp này vừa đơn giản

mà cho hiệu quả cao, và có tính khả thi nhất

- Cân bằng nhiệt lượng.

Phần IV: Thiết kế công nghệ

Phần V: Kết luận

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHÍ TỰ NHIÊN VÀ KHÍ

là những túi khí nằm sâu dưới mặt đất Khí đồng hành được khai thác từ các

mỏ dầu đồng thời với quá trình khai thác dầu thô Trong thành phần của khíđồng hành ngoài cầu từ chính là metan còn có etan, propan, butan, và cáchydrocacbon nặng chiếm một hàm lượng đáng kể và phạm vi thay đổi thànhphần của các cấu tử này trong một khoảng khá rộng Ngoài ra trong thànhphần khí tự nhiên và khí đồng hành còn có H2O, H2S và các hợp chất chứalưu huỳnh CO2, N2, và Heli

Người ta còn tiến hành phân loại khí dựa vào hàm lượng cáchydrocacbon từ propan trở lên Trong đó khí chứa trên 150g/m3 các cấu từpropanbutan và các hydrocacbon nặng được gọi là khí béo Khí này đượcứng dụng chế tạo xăng khí, khí hóa lỏng (LPG) và nguồn hydrocacbon chocông nghệ tổng hợp hữu cơ Còn khí chứa dưới mức 50g/m3 cáchydrocacbon nặng được gọi là khí gầy Và ứng dụng làm nhiên liệu chocông nghiệp và đời sống, làm nguyên liệu cho công nghệ tổng hợp hữu cơ ,sản xuất phân đạm

Ở Việt Nam hiện nay người ta đã phát hiện được rất nhiều mỏ khí vàtrữ lượng khí hàng năm đạt được khoảng 1300 tỷ m3 khí Dưới đây là một số

mỏ khí của Việt Nam

Rồng(lô 09) Rạng đông

(lô 09)

Ruby (lô 01)khí tự do đồng hành

Metan(C1) 76,82 84,77 76,54 77,62 78,02Etan (C2) 11,87 7,220 6,890 10,04 10,67Propan(C3) 5,980 3,460 8,250 5,940 6,700Butan(C4) 1,040 1,700 0,780 2,830 1,740Condensat 0,320 1,300 0,500 0,970 0,380

Lan Tây(06-1)

Lan Đỏ(06-1)

RồngĐôi(11-2)

HảiThạch(05-2)

MộcTinh(05-3)Metan(C1) 77,25 88,5 93,9 81,41 81,00 89,44Etan(C2) 9,490 4,30 2,30 5,250 5.200 3,800Propan(C3) 3,380 2,40 0,50 3,060 2,800 1,480Butan(C4) 1,340 0,60 0,10 1,470 1,500 0,710Condensat 0,480 1,40 0,20 0,550 4,700 0,540

N2 4,500 0,30 1,60 0,080 0,110 0,150

và khí đồng hành ta còn thu được các chất hydrocacbon và phi hydrocacbonlàm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác Do vậy trong những nămgần đây rất nhiều nước trên thế giới đặc biệt là những nước phát triển đãđầu tư và phát triển ngành công nghiệp chế biến khí cụ thể

ở Nga và các nước công nghiệp phát triển đã sử dụng hợp lý nguồnhydrocacbon mang lại nguồn lợi to lớn bởi vì metan là thành phần chính cótrong khí tự nhiên được dùng làm nhiên liệu cho lò nung và nồi hơi Ngoài

ra etan , propan ,butan và các hydrocacbon nặng còn được dùng cho côngnghiệp tổng hợp hữu cơ

ở Mỹ, từ etan đã chế biến 40% etylen phục vụ cho sản xuất nhựa tổng hợp,oxit etylen, chất hoạt động bề mặt , nhiều sản phẩm và bán sản phẩm hóahọc khác Ngoài ra từ khí tự nhiên và khí đồng hành , sau khi làm sạch vàchế biến khí 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 vàCanada là một trong hai nước đứng đầu về sản xuất heli, một trong nhữngsản phẩm quan trọng nhất trong công nghệ nghiên cứu vũ trụ, nghiên cứu kỹthuật thâm lạnh , sắc ký

ở các nước Tây âu, sau khi tìm ra các mỏ khí tự nhiên lớn đã tăng cường

sự quan tâm đến các nguyên liệu nhiệt phân nhẹ

Trong những năm gần đây các nước Trung đông (Iran, Arapxeut,Beren ) dự định hoàn thành chương trình về khai thác , chế biến và vậnchuyển khí đồng hành với tổng giá trị khoảng 33 tỉ USD Người ta nghĩrằng điều này cho phép xuất khẩu khoảng 46 triệu tấn PLG mỗi năm

Riêng ở Việt Nam ngành dầu khí nước ta tuy mới hình thành và pháttriển nhưng với tiềm năng về khí khá phong phú thì đây là một tiền đề quantrọng để ngành công nghiệp này phát triển hơn Cho đến nay Việt Nam đangkhai thác 6 mỏ dầu và 1 mỏ dầu khí, hình thành 4 cụm khai thác dầu quantrọng:

• Cụm mỏ thứ nhất : nằm ở vùng đồng bằng Bắc Bộ gồm nhiều mỏkhí nhỏ , trong đó có Tiền Hải “C”, trữ lượng khoảng 250 m3/khí , đã bắt đầukhai thác từ tháng 12 năm 1981với trên 450 triệu m3/khí phục vụ cho côngnghiệp địa phương và là nguồn nguyên liệu cho công nghiệp khí ở các tỉnhphía 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 , cungcấp trên 96% sản lượng dầu toàn quốc

• Cụm mỏ thứ ba: ở vùng biển Nam Côn Sơn gồm mỏ dầu Đại Hùngđang 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

-Các nước đang khai thác dầu mỏ BungaOrkid, Bunga parkma, Bunga Râytại khu vực thỏa thuận thương mại Việt Nam – Malaysia là khu khai thác và

cung cấp khí lớn thứ hai và sẽ là cơ sở đảm bảo sự phát triển khu côngnghiệp dầu khí ở Cà Mau – Cần Thơ

Với tiềm năng về khí khá phong phú như vậy , Viêt Nam có nhiềuđiều kiện phát triển công nghiệp khai thác và chế biến khí thúc đẩy mạnhhơn nền kinh tế và đưa đất nước ta lên một tầm cao mới

CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ BIẾN KHÍ TỰ NHIÊN

VÀ KHÍ ĐỒNG HÀNH

II.1.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 -25oC - -35oC áp suất cao 3,0 – 4,0 Mpa Đây được coi là phương pháp cóhiệu 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 khísau đó được làm lạnh và đưa vào thiết bị sấy khí để tách ẩm rồi được đưaqua thiết bị trao đổi nhiệt và làm nguội sau đó khí được đưa đến thiết bịngưng tụ nhiệt độ thấp Tại đó , khí được nén và làm lạnh tới nhiệt độ âmcần thiết tiếp theo hỗn hợp khí được đưa sang bộ phân tách khí lúc này mộtphần hydrocacbon đã ngưng tụ được tách ra

Sau khi được nén và làm lạnh thì hỗn hợp khí bằng hai phần:

+ Phần ngưng tụ (gọi là condesat) của bậc nén và làm lạnh.Khí đồnghành được bơm từ thùng chứa qua bộ phận trao đổi nhiệt sang cột tách etan.Tại đó phân đoạn chứa metan và etan được tách ra Sau đó benzin lá phầnngưng tụ đã tách metan và etan qua thiết bị trao đổi nhiệt vào bình chứa, từ

đó nó được đưa đị chế biến tiếp

Phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp để tách bezin từ khí đồng hành làphương pháp 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 táchbenzin ra khỏi hỗn hợp khí khá cao, triệt để nên phương pháp này được ứngdụng rộng rãi trong công nghiệp chế biến khí.

II.2 Chế biến khí bằng phương pháp hấp thụ

Ngoài chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ thì người ta còn ápdụng phương pháp hấp thụ để chế biến khí Trong đó hấp thụ và giải hấp thụ

là hai quá trình chuyển biến khối cơ bản được sử dụng để tách khí thiênnhiên và khí đồng hành

Quá trình này được thực hiện là nhờ sự hình thành cân bằng pha giữahai pha khí lỏng do sự khuyếch tán của các chất từ pha nọ sang pha kia,Động lực của quá trình khuyếch tán là sự chênh lệch áp suất riêng phần giữacác cấu từ trong pha lỏng và pha khí Nếu áp suất riêng phần của các cấu tửtrong pha khí lớn hơn pha lỏng thì sẽ xảy ra quá trình hấp thụ (tức chất lỏnghấp thụ chất khí)

Nếu ngược lại thì sẽ xảy ra quá trình hầp thụ và nhả hấp thụ được thựchiện trong các tháp hấp thụ và các tháp chưng luyện có cấu tạo kiểu tháp đĩahoặc tháp đệm, chất hấp thụ được dùng ở đây là các phân đoạn benzinkerosene, hoặc hỗn hợp của chúng

(Hình1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị hấp thụ /156)

*Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ:

Khí nguyên liệu sau khi được làm sạch khí các giọt lỏng và các tạpchất cơ học , đựơc nén , sấy đến điểm sương cần thiết, và đưa vào đĩacuối cùng của tháp hấp thụ 1 Chất hấp thụ đựơc tái sinh được tưới lênđĩa trên cùng.Trong thiết bị này cấu từ theo yêu cầu định trước (C 3)được tách ra khỏi khí vào, ngoài ra còn có một lượng các hydrocacbonnhẹ(metan và etan)

Khí khô thoát ta từ đỉnh tháp hấp thụ 1, còn chất hấp thụ bão hòahydrocacbon đựơc thoát ra từ đáy tháp Khí khô đưa đi sử dụng, còn chấthấp thụ bão hòa được đưavào tháp hấp thụ bốc hơi 2 Người ta tưới chấthấp thụ đã táI sinh vào đĩa trên cùng của tháp 2 còn đáy tháp thì được gianhiệt khi khô được sử dụng làm nhiên liệu Còn chất hấp thụ bão hòa đãtách etan được gia nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt 3 và 4 Từ đỉnh tháp

3 ta thu được hỗn hợp propan và hydrocacbon nặng Phân đoạnhydrocacbon nặng được ngưng tụ trong thiết bị 7 và đi vào hồi lưu 9 phầnhydrocacbon nặng được quay trở lại tháp nhả hấp thụ 3 Phần còn lạiđược đưa đi sản xuất

Nhiệt cung cấp cho phần dưới tháp nhả hấp thụ do sự tuần hòan các chấthấp thụ chảy từ đĩa cuối sang thiết bị đun sôi đáy tháp 10 Chất hấp thụ

đã tái sinh từ đáy tháp 3 làm nguội qua thiết bị 4,5 sau đó làm lạnh 6,8vào tháp hấp thụ 1 và tháp hấp thụ – bốc hơi 2.

II.3.Chế biến khí bằng phương pháp chưng cất

Sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp được thực hiện quá trình tách các cấu từđịnh trước hiệu quả hơn sơ đồ hấp thụ nhiệt độ thấp (HNI) và thiết bị chếtạo cũng đơn 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 vào tháp chưng Tại đó xảy ra sự phântích riêng biệt khí nguyên liệu thành khí khô(thoát ra từ đỉnh tháp) vàphân đoạn hydrocacbon nặng

Phụ thuộc vào sơ đồ nguyên lý của quá trình chưng cất nhiệt độ thấp,thiết bị cơ bản của sơ đồ là tháp chưng được chia thành chưng bốc hơi vàtháp ngưng tụ – bốc hơi (Hình 2, hình 3 -177)

Với 3 sơ đồ công nghệ chế biến khí nói trên thì ta có một vài nhận xétsau: Từ những ưu nhược điểm và phạm vi công dụng của mỗi công nghệthì phương pháp chế biến khí bằng NNT đem lại hiệu quả cao nhất.Phương pháp này phù hợp với điều kiện chế biến khí đồng hành với năngsuất công nghệ là 5 triệu m3/ngày, hệ số tách cấu tử chính là =75%propan Mặt khác với phương pháp này mang lại hiệu quả cao đặc biệttrong tình hình kinh tế của đất nước ta hiện nay thì đây là một công nghệchế biến khí đơn giản , và khả thi nhất.

CHƯƠNG III:CƠ SỞ HÓA LÝ CỦA QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ

NHIỆT ĐỘ THẤP

III.1.Khái niệm về quá trình ngưng tụ

Ngưng tụ là quá trình chuyển khí hoặc hơi sang trạng thái lỏng bằngcách làm lạnh khí hoặc nén làm lạnh khí đồng thời

Có hai phương pháp để tiến hành quá trình ngưng tụ :

+ Quá trình ngưng tụ gián tiếp: (hay còn gọi là ngưng tụ bề mặt )

tức là quá trình tiến hành trong thiết bị trao đổi nhiệt có tường ngăn cáchgiữa khí và tác nhân làm lạnh đi ngược chiều nhau Tác nhân làm lạnhcho đi từ dưới lên để tránh dòng đối lưu tự nhiên cản trở quá trình chuyểnđộng của lưu thể Khí đi từ trên xuống để chất lỏng ngưng tụ chảy dọcxuống tự do và dễ dàng

+Quá trình ngưng tụ trực tiếp (hay còn gọi là ngưng tụ hỗn hợp) Quáttrình này tiến hành bằng cách cho khí và tác nhân làm lạnh tiếp xúc trựctiếp với nhau Tác nhân làm lạnh được phun trực tiếp vào trong khí sau

đó ngưng tụ lại thành lỏng do vậy thiết bị ngưng tụ trực tiếp thườngkhông đặt giá trị phân chia cao Nên chất lỏng ngưng tụ sẽ trộn lẫn vớitác nhân làm lạnh.

III.2.Đặc điểm của quá trình ngưng tụ

Quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp có thể được coi là quá trình làmlạnh đẳng áp (nếu ta bỏ qua một vài tổn thất áp suất khi khí chuyển độngtrong ống và thiết bị công nghệ) cho tới nhiệt độ tương ứng và áp suất đóthì xuất hiện pha lỏng

Khí đồng hành và khí tự nhiên là một hỗn hợp bao gồm nhiều cấu từ

do đó qúa trình chuyển pha và các vùng tới hạn của chúng khác nhau nhiều

so với qúa trình tương ứng với điểm đó là nhiệt độ và áp suất tới hạn Khinhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ tới hạn thì chất đó sẽ tồn tại ở trạng tháimột pha Khi đó dù có thay đổi của bất kì tổ hợp các thông số nào thì cũngkhông thể đưa chất đó về trạng thái hai pha được vì vậy muốn hóa lỏng khí

ta chỉ được phép tiến hành nhiêt độ tới hạn

Ví dụ :

Nhiệt độ tới hạn của CH4 là Tc = 190,55K nhưng với nhiệt độ môi trường

là Tmt = 298K thì Tc < Tmt Do đó nếu nén khí ở nhiệt độ môi trường thìcho dù có tăng áp suất tới 500 atm thì CH 4 cũng không hóa lỏng, khi đó

ta chỉ thu được khí CH4 nén Vậy để hóa lỏng CH4ta phải hạ nhiệt độ của

CH4 xuống khoảng 111K (dưới nhiệt độ sôi của CH4 TsCH4 = 111,6 K với

III.3.1 Quá trình chuyển pha đối với khí một cấu tử.

Quá trình chuyền pha đối với hệ khí một cấu tử ta có thể biểu diễn trêntrục tọa độ P-T trong đó trục tung là áp suất và trục hoành là nhiệt độ

Hình 4 giàn đồ pha hệ một cấu tử

- Đường HD, HC và FH là các đường cân bằng bao gồm tập hợp cácgía trị áp suất, nhiệt độ tại đó có cân bằng pha

- Điểm H là điểm duy nhất tại nhiệt độ và áp suất xác định đồng thờitồn tại ba pha nằm cân bằng với nhau Tại đường cân bằng ở nhiệt độ

và áp suất không đổi hệ có thể chuyển pha bằng cách thêm vào hoặcbớt năng lượng của hệ

- Dọc theo đường FH không tồn tại pha lỏng, và pha rắn thăng hoathành hơi

- Đường HC là đường bão hòa hoặc cân bằng giữa hai pha lỏng và hơi

- Điểm C là điểm tới hạn ứng với nhiệt độ tới hạn T c và áp suất tới hạn

Pc thì tại đó các tính chất của pha lỏng và pha hơi trở thành đồng nhất.Đối với đơn chất điểm tới hạn được định nghĩa: là điểm mà phía trên

nó pha lỏng không thể tồn tại như một pha độc lập Hay nói cách khácphía trên điểm tới hạn khí không thể bị hóa lỏng bằng cách nén áp suấtcao

- Đường HC thường gọi là đường áp suất hơi hay đường cong điểmsương và đường cong điểm bọt của đơn chất.

* Xét quá trình pha đấng áp của hệ một cấu tử trên hình 4

Từ”m”>”n”hệ ở trạng thái rắn

Từ “o” đến “b”: hệ ở trạng thái lỏng tại “b” hệ ở trạng thái lỏng bãohòa Bất kỳ sự cung cấp năng lượng nào cũng làm cho lỏng hóa thànhhơi ở nhiệt độ và áp suất không đổi

- Tại “d”: hệ ở trạng thái hơi bão hòa, tiếp tục tăng nhiệt độ sẽ nhậnđược hơi qúa nhiệt

III.3.2 Giàn đồ pha hệ nhiều cấu tử

Đối với hệ nhiều cấu tử, vị trí của các đường cong trên giàn đồpha phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp và các đường bao pha tạothành không phải là một mặt phẳng, mà có chiều dày như hình cái lưỡivới thành phần là biến số phản ánh chiều dày của đường bao pha Trênhình 5 thể hiện giản đồ pha hệ nhiều cấu tử trong đó trục tung là áp suất

và trục hoành là nhiệt độ

(Hình 5/24 )

* 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 nhiềucấu tử tồn tại ở trạng thái hai pha.

* Điểm N: là điểm tương ứng với áp suất lớn nhất mà tại đố hỗn hợp nhiềucấu tử tồn 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 Khisang đường cong điểm sương thì toàn bộ hỗn hợp khí trở thành hơi từ đườngcong điểm bọt và đường cong điểm sương là miền mà tồn tại cân bằng giữahai pha lỏng và hơi

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

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

Điểm tới hạn C của hỗn hợp khí hydrocacbon luôn luôn ở phía bên tráicủa điểm M và vị trí mà là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến sự thay đổihướng của các đường lỏng hơi bên trong đường bao pha Điểm tới hạn C cóthể nằm bên phải điểm N thể hiện trên hình 6 và 7

(Hình 6 và 7 /25)

Trên hình 7 là giản đồ của hệ bậc hai metan propan cho thấy ảnh hưởngcủa thành phần đến hình dáng vị trí của đường bao pha thì đường congngoài cùng là các đường áp suất hơi của metan propan bắt đầu từ điểmtới hạn ba đường bao pha còn lại là của ba hỗn hợp có tỷ lệ thành phầnmetan propan khác nhau được gọi là quỹ tích tới hạn

Như vậy vị trí tới hạn trên mỗi đường bao pha thay đổi theo thànhphần của hỗn hợp các hydrocacbon

Ngoài ra các tạp chất như phi hydrocacbon như: H2O, CO2,H2S,N2cũng có những ảnh hưởng đáng kể đến đường bao pha của hỗn hợp khítrong điều kiện nhiệt độ cao và áp suất thấp

+ H2S, CO2 làm giảm điểm áp suất cực đại tồn tại lỏng hơi của hỗn hợpkhí

+ N2: Làm tăng điểm áp suất cực trị , tồn tại lỏng hơI hỗn hợp khí vàgiảm khả năng trộn lẫn

III.4 Hằng số cân bằng pha.

Cân bằng pha của hỗn hợp khí không phải là trạng thái tĩnh mà là cânbằng động , vẫn luôn tồn tại sự chuyển đồng của các phân tử từ pha lỏngsang pha hơi và ngược 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 ởđiều kiện cân bằng là hằng số cân bằng pha K được xác định bằngphương trình :

Trong đó : : là phần mol của cấu tử i trong pha hơi

: là phần mol của cấu tử I trong pha lỏng

Xét cân bằng vật liệu của tháp:

G: là phần mol của cấu tử i trong nguyên liệu vào tháp tách

: là phần mol cấu tử i trong pha hơi

: là phần mol cấu tử i trong pha lỏng

: 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

Ta có: phương trình cân bằng vật liệu của tháp :

F= V+L

Với cấu tử một nào đó: F.G=V +L

III.5 Quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp trong chế biến khí đồng hành

Trong hỗn hợp khí đồng hành có thành phần các hydrocacbon khácnhau như:CH4, C2H6…Do vậy tương ứng sẽ có các nhiệt độ ngưng tụ khácnhau, do đó quá trình làm lạnh sẽ xảy ra như saucoi lai)

+ Khi giảm nhiệt độ của hỗn hợp khí thì đến một lúc nào đó của hỗn hợpkhí sẽ bắt đầu ngưng tụ(tương ứng với áp suất riêng phần trong hỗn hợp khí)lớn nhất Nếu như các cấu tử được phân bố đều trong hỗn hợp ban đầu Thìcác cấu tử có nhiệt độ ngưng tụ lớn nhất sẽ ngưng tụ đầu tiên Khíhydrocacbon có đăc điểm quan trọng là: chúng hòa tan trong cáchydrocacbon lỏng, do đó khi chuyển sang pha lỏng không chỉ có các cấu tửkhác có nhiệt độ tới hạn thấp hơn cả nhiệt độ của hỗn hợp tại thời điểm đó

Ví dụ:

Hỗn hợp có 10% mol CH 4 có 90%mol C6H14 trong ống dẫn khí có thểngưng tụ hoàn toàn khi làm lạnh đến 10oC với P = 2MPa Mặc dù nhiệt độtới hạn của CH4 là Tc = -82,6oC Nhưng khi có mặt propan nó vẫn chuyểnsang pha khí

Trong quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp , quá trình làm lạnh khí chỉ diễn

ra tới khi đạt được mức độ ngưng tụ định mức của pha hơi (trong hỗn hợpkhí ban đầu) được xác định bằng mức độ tách cần thiết các cấu tử chủ yếu rakhỏi hỗn hợp Điều này đạt được nhờ nhiệt độ làm lạnh cuối cùng hoàntoàn xác định ( tức phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp, áp suất của hệ).Nhiệt độ này tạo được bằng cách cung cấp cho quá trình một lượng nhiệtlạnh cần thiết

-Cùng một mức độ ngưng tụ ( của hỗn hợp khí ban đầu ) có thể đạtđược bằng những tổ hợp các giá trị nhiệt độ và áp suất khác nhau Khi tăng

áp suất trong hệ tức là tăng áp suất riêng phần của từng cấu tử, mức độngưng tụ nhiệt độ không đổi sẽ tăng lên và quá trình này cũng sẽ xảy ratương tự làm lạnh đẳng áp

- Mức độ ngưng tụ các hydrocacbon khi tiến hành trong quá trình đẳng áp vàtrong quá trình đẳng nhiệt Tuy nhiên, qúa trình ngưng tụ của hai trường hợpnày lại khác nhau Cụ thể trường hợp đẳng nhiệt thì mức độ ngưng tụ tăngnhưng sự phân tách các cấu tử hydrocacbon kém Ngược lại đối với quátrình đẳng áp

Vậy: Việc lựa chọn các thông số tối ưu cho quá trình ngưng tụ nhiệt độthấp phụ thuộc vào thành phần ban đầu của hỗn hợp khí nguyên liệu, mức độphân tích cấu tử chính định trước là rất quan trọng

CHƯƠNG IV: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN BẰNG

PHƯƠNG PHÁP NGƯNG TỤ NHIỆT ĐỘ THẤP.

IV.1.Các thiết bị chính có trong qúa trình chế biến bằng phương

hip ngưng tụ nhiệt độ thấp.

Nhìn chung sơ đồ công nghệ trong các quá trình chế biến khí theo phươngpháp ngưng tụ nhiệt độ thấp rất đa dạng và phong phú Theo mỗi mộtphương pháp thì ta có các thiết bị khác nhau Tuy nhiên , trên cơ bản thì tất

cả các quy trình đều có những cụm thiết bị chính như sau:

+ Hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt tuần hoàn: Thiết bị này có tác dụng tậndụng được các nguồn nhiệt lạnh, nhiệt nóng của các dòng sản phẩm Thiết bịnày có thể hoạt động theo: loại gián tiếp, trực tiếp hay loại đệm

+Thiết bị phân ly hỗn hợp hai pha

+ Tháp tách etan

Nếu như sơ đồ Ngưng tụ nhiệt độ thấp (NNT) được dùng với mục đích thuđược C2 và phân đoạn cao thì sau tháp khử metan ta có thêm tháp tách etan(C2H6) thương phẩm Trong sơ đồ NNT có cụm thiết bị gồm: nguồn nhiệtlạnh, máy phân ly tạo nên một bậc phân ly

IV.2 Phân loại các sơ đồ công nghệ

Để chế biến khí theo phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp (NNT) có rấtnhiều sơ đồ công nghệ khác nhau Và ta có thể phân chia chúng dựa vào một

số đặc điểm sau đây:

+Theo số loại phân ly cơ bản

+ Theo loại nguồn nhiệt lạnh

+Theo loại sản phẩm cuối

Theo đó ta có sơ đồ phân loại công nghệ chế biến khí sau đây:

Chu trình LL

Tổ hợp

Một tác nhân làmLạnh

Tác nhân Làm lạnh

tổ hợp

Nhiều tác nhân làm lạnh

Nhóm I:

có sự kết hợp với

Theo mỗi kiểu phân chia thì ta có 13 sơ đồ tiêu biểu sau:

+Sơ đồ NNT một bậc

+Sơ đồ NNT có tách sơ bộ etan

+Sơ đồ NNT có chu trình làm lạnh dùng tác nhân lạnh hỗn hợp

+Sơ đồ NNT một bậc có chu trình làm lạnh ngoài bằng propan và etan đểnhân C>2

+Sơ đồ công nghệ nhà máy chế biến khí ở Tây Virginia (Mỹ)

+Sơ đồ Thiết bị NNT 3 giai đoạn

+Sơ đồ nhà máy chế biến khí sử dụng tubin giãn nở khí

+Sơ đồ chế biến khí ở nhà máy San – Antonio (bang Texas, Mỹ)

+Sơ đồ nguyên lý thiết bị NNT có tuabin giãn nở khí

+Sơ đồ NNT một bậc để nhận C3có chu trình làm lạnh tổ hợp

+Sơ đồ NNT hai bậc để nhận C>3 có chu trình làm lạnh tổ hợp

+Sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp để nhận C>3 có chu trìng làm lạnh tổ hợp.+Sơ đồ công nghệ nhà máy chế biến khí ở Siligson (Mỹ)

IV 3 Phân tích lựa chọn thiết bị để tính toán thiết kế

IV.3.1 Đánh giá công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ

nhiệt độ thấp.

Trong công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độthấp.Dựa vạo số bậc tách, kiểu nguồn lạnh và cách đưa sản phẩm ra thì ta cócác sơ đồ công nghệ chế biến khí khác nhau Theo đó mỗi một loại côngnghệ ta đều có những ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng khác nhau

Để hiểu hơn ta đi xét một số sơ đồ công nghệ chế biến khí bằng phươngpháp ngưng tụ nhiệt độ thấp

IV.3.1.a Sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp (NNT) có chu trình làm lạnh ngoài

*Đặc điểm sơ đồ công nghệ:

Vì sơ đồ công nghệ này sử dụng chu trình làm lạnh ngoài nên khôngphụ thuộc vào sơ đồ công nghệ có tác nhân làm lạnh đặc biệt Tùy thuộc vàodạng tác nhân làm lạnh mà chu trình làm lạnh ngoài có thể được chia thànhhai nhóm:

Nhóm một tác nhân làm lạnh và nhóm nhiều tác nhân làm lạnh và chu trìnhlàm lạnh ngoài có ứng dụng hai hay nhiều tác nhân làm lạnh gọi là chu trìnhlàm lạnh bậc thang Đây là sơ đồ công nghệ được ứng dụng một cách rộngrãi

a)Sơ đồ NNT một bậc để nhận có chu trình làm lạnh với tác nhân làm

và được dẫn vào giữa tháp tách etan 11 Sau khi tách từ tháp tách etan 11khí sau khi truyền lạnh trong thiết bị 3 được đưa đi sử dụng, phân đoạn chứacác hydrocacbon được tháo ra ở đáy tháp 11 sau khi truyền nhiệt trong thiết

bị 9

Một phần condesat từ tháp phân tích 10 có thể được đưa đi để tạo hỗnhợp tác nhân làm lạnh Nó được gia nhiệt trong thiết bị 9 bằng sản phẩm củatháp 11 đến 20oC – 45oC Một phần được bay hơi và tách khí trong tháp tách

8 qua van tiết lưu 14 giảm áp suất tới 0,118- 0,125 MPa, hòan toàn được bayhơi và đưa máy nén 4 có chu trình lạnh và từ đó nó trở thành tác nhân làmlạnh

b) Sơ đồ NNT một bậc để nhận có chu trình làm lạnh bằng propan và

6 Bộ phận bay hơi propan 7, thiết bị trao đổi nhiệt và bộ phận bay hơi 9 chưa

có sự tách pha lỏng Điều đó cho phép thực hiện tốt hơn những điều kiện cầnthiết để tách etan, bởi vì etan trong pha lỏng của các hydrocacbon nặng tốthơn Do đó tăng tổng số etan tách ra được ở bậc sau

Đặc điểm thứ hai của sơ đồ có tháp tách etan và tháp tách metan để đượcsản phẩm Nhiệm vụ của tháp tách metan là tách toàn bộ metan ra khỏiphân đoạn chứa hydrocacbon Tháp tách metan làm việc trong điều kiện

p =3,5 - 4,0MPa; Nhiệt độ T = 3,5oC – 4,0oC Nhiệt độ đáy tháp tách metanthường được duy trì : T = 20 – 60 oC ; số đĩa trong tháp tách metan từ 20 -

25 đĩa

c)Sơ đồ NNT ba bậc để nhận với chu trình làm lạnh bằng propan

(Hình 10-Sơ đồ thiết bị NNT ba giai đoạn)

*Nguyên tắc hoạt động: Với sơ đồ ba bậc có chu trình làm lạnh ngoàI bằngpropan ; trong đó propan được bay hơi trên mỗi bậc theo các đường đẳngnhiệt khác nhau.

Ở bậc ngưng tụ thứ nhất, khí đưa vào được làm lạnh đến nhiệt độ trunggian nào đó cao hơn nhiệt độ ở bậc ngưng tụ tiếp theo Sau đó hỗn hợp haipha tạo thành được tách riêng pha lỏng và pha hơi Pha hơi đưa vào ngưng tụnhiệt độ thấp ở bậc thứ hai ở đây khí được làm lạnh thấp hơn bậc đầu tiênnhưng cao hơn nhiệt độ ngưng tụ ở bậc thứ ba.Sau đó pha lỏng và pha hơilần nữa lại được tách riêng Pha hơi đưa vào ngưng tụ nhiệt độ thấp ở bậcthứ ba, ở đó hơi ngưng tụ đến nhiệt độ đã chọn và trở thành hai pha lỏng vàhơi Pha lỏng tách ra sau mỗi bậc ngưng tụ được đưa vào tháp tách etan

Sơ đồ NNT một bậc và nhiều bậc có những ưu điểm và nhược điểm riêng.Với quá trình ngưng tụ một bậc thứ lượng lỏng tạo ra nhiều hơn so với nhiềubậc nhưng trong phần lỏng của một bậc chứa nhiều cấu tử nhẹ, tức là độchọn lọc của quá trình ngưng tụ một bậc thấp hơn Điều đó dẫn đến tănglượng nhiêt mất mát do các sản phẩm nhẹ metan và etan Tuy nhiên với sơ

đồ nhiều bậc vốn, kinh phí bỏ ra nhiều

* Ưu điểm công nghệ: do công nghệ sử dụng chu trình làm lạnh ngoài nênkhông phụ thuộc vào sơ đồ công nghệ và thiết bị đơn giản , vốn đầu tư ít, dễdàng triển khai

* Nhược điểm công nghệ: công nghệ này có độ chọn lọc không cao donăng lượng tiêu tốn nhiều để ngưng tụ các cấu tử nhẹ dễ sôi, để khắc phụcnhược điểm này ta có các công nghệ NNT có chu trình làm lạnh ngoài nhiềubậc cho độ phân chia cao

* Phạm vi ứng dụng của sơ đồ công nghệ: công nghệ này ứng dụng đối vớihỗn hợp khí có độ phân tách các cấu tử chính không lớn,năng suất côngnghệ cao.

IV.3.1.2 Sơ đồ công nghệ NNT có chu trình làm lạnh trong.

*Đặc điểm của sơ đồ công nghệ:

Trong quá trình chế biến khí tự nhiên thì thiết bị làm lạnh bằngtuôcbin sử dụng năng lượng ở các vỉa khai thác khí.Còn khi chế biến khíđồng hành thì khí được nén sơ bộ tạo một áp suất nhất định trước thiết bịlàm lạnh tuôcbin

Thông thường trong sơ đồ sử dụng chu trình làm lạnh trong Ngoài việclàm lạnh khí đã tách xăng còn sử dụng cả tiết lưu dòng lỏng Điều này chophép thu được một lượng nhiệt lạnh cần thiết

a)Sơ đồ điển hình của một nhà máy chế biến khí có tuabin giãn nở khí.

Hình 11- Sơ đồ nhà máy chế biến khí sử dụng tuabin giãn nở khí/145)

*Sơ đồ nhà máy loại này gồm các công đoạn chính sau:

- Công đoạn nén khí ban đầu khi chế biến khí đồng hành

- Sấy khí

- Công đoạn tái sinh lạnh và nhiệt của các dòng khí ngược chiều nhau

- Công đoạn tách khí áp suất cao

- Công đoạn giãn nở khí bằng tuabin có tách khí áp suất thấp

- Tách metan ra các hydrocacbon nặng C  2,tách etan của condensate nếunhận etan và các hydrocacbon nặng C  3

- Nén khí khi đến áp suất cần thiết để đưa vào đường ống dẫn

b) Sơ đồ NNT hai bậc để tách C > 3 có tuabin giãn nở khí , tiết lưu dòng chất lỏng:

Hình 12-Sơ đồ chế biến khí ở nhà máy San Antinio/145

* Nguyên tắc hoạt động:

Khí có áp suất 5,2 MPa vào tháp tách 1, tại đây những giọt chất lỏngđược tách ra khỏi khí Sau khi ra khỏi tháp tách, khí vừa được làm lạnh sẽ

được dẫn đến tháp tách 5 Trước khi vào các thiết bị trao đổi nhiệt, người tabơm metanol vào khí Trong tháp tách 3 pha 5, methanol bão hòa cáchydrocacbon ngưng tụ và khí được tách riêng Dung dịch metanol trongnước được tái sinh trong tháp 7 các hydrocacbon ngưng tụ được đưa từ tháptách 5 vào bộ phận thổi gió 8 ở đây áp suất giảm xuống 1,8 MPa , nhiệt độcondensat giảm xuống -84oC Khí tạo thành nhờ sự tiết lưu này từ tháp 8được dẫn vào đường ống dẫn khí khô, còn condensate qua thiết bị trao đổinhiệt vào phần giữa của tháp tách etan 10, giảm đến 1,8 MPa , sau đó đượcdẫn vào tháp tách 9 ở trên đỉnh của tháp 10.Khí từ tháp 9 sau khi truyềnnhiệt ở 3 va 4 được máy nén đến áp suất 2,1 MPa , máy nén nối với một trụccủa tuabin 6, phân đoạn chứa các hydrocacbon nặng được tháo ra từ đáytháp tách etan 10

* Ưu điểm công nghệ:

- ở công nghệ này chỉ có một nguồn lạnh duy nhất là tuabin giãn nở khí.Điều này đảm bảo tách triệt để hơn các cấu tử theo yêu cầu định trước như:etan, propan hay hydrocacbon nặng

- Ngoài ra việc sử dụng tuabin giãn nở : có khả năng tự động hóa hoàntoàn có thể xây dung sơ đồ chế biến khí thích hợp cho những mỏ khai tháckhác nhau Do vậy giảm nhẹ được khối lượng công việc xây lắp trực tiếp hệthống thiết bị

_ Với công nghệ này thì tổng hợp được các ưu điểm của hai quá trình côngnghệ đó là: NNT có chu trình làm lạnh ngoại nhiều làm lạnh tổ hợp cụ thể :công nghệ có chu trình làm lạnh trong vừa cho độ phân tách cao và cho phéplàm việc ở nhiệt độ làm lạnh sâu

* Nhược điểm: Thiết bị công nghệ với chu trình làm lạnh trong thường cồngkềnh, phức tạp, vốn đầu tư lớn

* Phạm vi ứng dụng:

áp dụng đối với hỗn hợp khí có thành phần chứa trở lên không quá

70 – 75 g/m3 Với hệ số tách cấu tử chính là 85% propan và hầu hết các cấu

tử cacbon nặng.Khí khô sau khi chế biến được đưa thẳng đi tiêu thụ với ápsuất 2,1MPa

IV3.1.3 Sơ đồ công nghệ NNT có chu trình làm lạnh tổ hợp:

*Đặc điểm sơ đồ công nghệ :

Nguồn lạnh được sử dụng trong công nghệ bao gồm nhiều chu trình làmlạnh Trong đó có chu trình làm lạnh ngoài bằng propan, tiết lưu dòng lỏng

và tuabin giãn nở với đặc điểm này cho phép sơ đồ công nghệ làm việc ởnhiệt độ làm lạnh sâu hơn, và thiết kế công nghệ đơn giản, và có thể dễ dàngtách riêng cho từng cấu tử của hỗn hợp khí ban đầu như: etan, metan,propan…

a)Sơ đồ NNT một bậc để nhận có chu trình làm lạnh tổ hợp ( chu

trình làm lạnh ngoài bằng propan và tiết lưu dòng chất lỏng)

Hình 13 Sơ đồ NNT một bậc để nhận có chu trình làm lạnh tổ hợp /148)

*Nguyên tắc hoạt động:

Khí đồng hành được nén đến tháp áp suất 2,0MPa đi qua bộ phận gianhiệt 13 của tháp tách etan 12 , trao đổi nhiệt bằng không khí 3, sau đó quacác thiết bị trao đổi nhiệt 4,6,7,9 và bộ phận bay hơi 5,8 của chu trình làmlạnh ngoài, một phần khí được ngưng tụ, khí có nhiệt độ -10oCđược đưa vàotháp tách 1 để tách phần ngưng tụ Khí khô từ đỉnh tháp tách sau khi trao đổinhiệt với dòng khí nguyên liệu đựơc dẫn ra khỏi hệ thống đưa đi sử dụngCondensat từ đáy tháp tách 11 đi qua thiết bị tiết lưu 10 tại đây áp suấtcondensate giảm xuống 1,0 MPa, Nhiệt độ-15oC

Dòng condensate lạnh đi qua thiết bị trao đổi nhiệt 9 đặt ngay phía trướctháp 11, sau đó là thiết bị trao đổi nhiệt 7 và đi vào đỉnh tháp tách bốc hơi

12, tại đây ở áp suất 1MPa xảy ra sự tách etan, các hydrocacbon nhẹ bay hơi

từ đỉnh tháp 12 qua thiết bị trao đổi nhiệt 4, được đưa nén trong máy nén 2

đến áp suất của dòng khí nguyên liệu, được làm lạnh trong thiết bị trao đổinhiệt bằng không khí 1 và được trộn lẫn với dòng khí vào.

b)Sơ đồ NNT hai bậc để nhậncó chu trình làm lạnh tổ hợp (chu trình làm lạnh ngoài bằng propan ,tiết lưu dòng chất lỏng và tuabin giãn nở khí)

Hình 14-Sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp để nhận có chu trình làm lạnh tổhợp

*Nguyên tắc hoạt động:

Khi nguyên liệu được nén đến 4,0MPa sau khi đã làm sạch khỏi CO2vàsấy bằng chất hấp phụ rắn, được đưa vào công đoạn ngưng tụ nhiệt độ thấp Một phần khí đi vào các thiết bị bay hơi 1,3,5 và các thiết bị trao đổi nhiệt