Tính toán tháp làm khô khí bằng Dietylen glycol

Tính toán tháp làm khô khí bằng Dietylen glycol

Bộ môn Lọc hóa dầu Lớp Lọc hóa dầu K51 Bài tập lớn môn Công nghệ Chế biến Khí - 1 - LỜI NĨI ĐẦU Khí là nguồn ngun nhiên liệu vơ cùng q hiếm, gần như khơng thể thay thế và tái sinh được, nó đóng vai trò cực kì quan trọng nếu khơng muốn nói là quyết định trong thời đại văn minh hiện nay và trong vài chục năm nữa khi mà những nguồn năng lượng khác vẫn chưa thể thay thế được. Mọi sự biến động của cán cân cung và cầu của dầu khí đều lập tức ảnh hưởng đến mọi lĩnh vực kinh tế, đến chính sách xã hội, thậm chí có thể dẫn đến xung đột vũ trang. Con người khơng dùng trực tiếp khí thiên nhiên mà chế biến chúng thành các sản phẩm có tính chất kỹ thuật được chuẩn hóa. Do khí khi khai thác lên ngoài những thành phần chính là các hydrocacbon từ C 1 -C 10 còn chứa các tạp chất cơ học và các phi hydrocacbon như : CO 2 , N 2 , H 2 S, H 2 O, .Trước khi đưa vào các quá trình tách phân đoạn khí thì cần phải đưa vào quá trình xử lý để để loại các tạp chất cơ học và các hợp chất phi hydrocacbon ảnh hưởng đến quá trình chế biến. Q trình xử lý này cần phải có các thiết bị như tháp hấp thụ, thiết bị trao đổi nhiệt, bình tách… nhưng chúng đều phải được thiết kế sao cho phù hợp với thành phần khí cần xử lý , điều kiện làm việc, dung mơi . Để hiểu rõ vấn đề này chúng ta đi tính tốn tháp làm khơ khí bằng Dietylen glycol (DEG). Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Danh Nhi đã giúp đỡ em hồn thành bài tập này. Trong q trình làm bài do thời gian có hạn nên khơng tránh khỏi những thiếu xót, sai lầm. Mong thầy có ý kiến chỉnh sửa giúp em. Em xin chân thành cảm ơn ! Vũng Tàu, ngày 03 tháng 04 năm 2010 Sinh viên thực hiện Lưu Thò Hường Bộ môn Lọc hóa dầu Lớp Lọc hóa dầu K51 Bài tập lớn môn Công nghệ Chế biến Khí - 2 - PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ KHÍ 1.1 Thành phần khí Gồm các cấu tử chính là Hydrocacbon no từ C 1 đến C 12 (mà trong đó chủ yếu là C 1 đến C 4 ). Trong khí thường chứa các tạp chất như: H 2 S, COS, CS 2 , RSH, khí trơ (He, Ar…), N 2 , hơi nước… Sự có mặt các hợp chất cơ học trong khí, nó gây ảnh hưởng xấu tới quá trình hoạt động của các thiết bò, phức tạp trong quá trình vận chuyển, không an toàn trong sử dụng. Do vậy, nguyên liệu vào phải được tách các hợp chất cơ học và các hợp chất phi hydrocacbon có hại ra khỏi khí. Nhìn chung quá trình tách này gồm :  Tách các tạp chất cơ học.  Tách condensate.  Tách nước (làm khơ khí-khử nước).  Khử khí axít (loại bỏ H 2 S, CO 2 .).  Tách N 2 , và He.  Tách Hg.  Tách các phân đoạn hydrocacbon 1.2 Các phương pháp làm khơ khí Mục đích : Trong dòng khí có chứa các phân tử nước, khi gặp điều kiện nhiệt độ áp suất thích hợp thì nó tạo thành các tinh thể hydrat, nó gây bòt kín các đường ống dẫn, gây ăn mòn thiết bị, làm giảm nhiệt trị của khí và ảnh hưởng đến quá trình làm việc của thiết bò vận chuyển. Quá trình hình thành hydrat xảy ra khi áp suất riêng phần trong hỗn hợp khí lớn hơn áp suất hơi bão hòa của hydrat. Như vậy, để làm giảm khả năng tạo thành hydrat thì phải làm giảm hàm lượng nước trong khí, khi đó Bộ môn Lọc hóa dầu Lớp Lọc hóa dầu K51 Bài tập lớn môn Công nghệ Chế biến Khí - 3 - áp suất riêng phần của hơi nước trong khí sẽ giảm xuống thấp hơn áp suất của hydrat, nên sẽ làm ngưng quá trình tạo thành hydrat. Quá trình làm khơ khí gồm có bốn phương pháp như sau:  Phương pháp làm lạnh với sử dụng chất ức chế  Phương pháp hấp thụ  Phương pháp hấp phụ  Phương pháp thẩm thấu a. Phương pháp sử dụng chất ức chế : Về nguyên tắc người ta bơm các chất ức chế vào để ngăn cản quá trình tạo thành hydrat, chất ức chế thường sử dụng glycol hoặc mêtanol. Glycol thường dùng là DEG (Dietylen glycol), TEG (tri etylen glycol), EG (etylen glycol) với nồng độ khoảng 60-80% khối lượng. Sự lựa chọn glycol phụ thuộc vào nhiều yếu tố:  Nhiệt độ đông đặc của dung dòch glycol  Độ nhớt của dung dòch glycol  Độ hạ nhiệt độ điểm sương đối với nồng độ glycol đã cho  Thành phần khí  Khả năng hòa tan của glycol  Glycol dùng phải bền nhiệt và dễ tái sinh  Hòa tan ít hoặc không hòa tan trong hydrocacbon b. Phương pháp hấp thụ : Đây là phương pháp sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ chế biến khí. Về nguyên tắc, phương pháp này dựa vào sự khác biệt về áp suất riêng phần của hơi Bộ môn Lọc hóa dầu Lớp Lọc hóa dầu K51 Bài tập lớn môn Công nghệ Chế biến Khí - 4 - nước trong khí và trong dung môi hấp thụ, khí tiếp xúc ngược dòng với dung môi hấp thụ trên các đóa van hoặc đệm. Chất hấp thụ thường dùng là : DEG, TEG, EG. Mỗi chất hấp thụ thì có những ưu việt riêng của từng loại, nói chung chúng có khả năng hút ẩm tốt, khá bền với sự có mặt của các khí axít, không đông đặc ở nhiệt độ thường khi dung dòch có nồng độ cao. Nhưng nhược điểm của phương pháp này là chi phí đầu tư cao, khó tái sinh, cho nhiệt độ điểm sương của khí cao, có khả năng ăn mòn kim loại, điều này ít mang lại hiệu quả cho quá trình trình sử dụng công nghệ. c. Phương pháp hấp phụ : Phương pháp này được sử dụng khi yêu cầu khí sản phẩm có độ sạch cao. Quá trình này được tiến hành khi người sử dụng một pha rắn có bề mặt riêng lớn, để giữ lại một cách chọn lọc trên bề mặt nó các cấu tử cần tách. Do vậy, các chất hấp phụ thường được đặc trưng bởi cấu trúc xốp với các mao quản rất nhỏ để tạo ra bề mặt riêng lớn. Các chất hấp phụ thường sử dụng là : Nhôm hoạt tính, silicagen, đất sét, zeolit. Những ưu nhược điểm của phương pháp: + Ưu điểm : Cho hiệu suất làm sạch rất cao, có thể làm giảm hàm lượng nước xuống còn 0,01 ppm và tạo ra cho khí có nhiệt độ điểm sương thấp, đồng thời zeolit có thể làm việc ở nhiệt độ cao. + Nhược điểm : Giá thành tương đối cao do đó chỉ áp dụng khi yêu cầu điểm sương thấp. d. Phương pháp thẩm thấu : Nguyên tắc của phương pháp là dựa vào sự thẩm thấu của khí qua màn thẩm thấu. Dưới tác dụng của màng thẩm thấu sẽ cho những phân tử có kích thước nhỏ Bộ môn Lọc hóa dầu Lớp Lọc hóa dầu K51 Bài tập lớn môn Công nghệ Chế biến Khí - 5 - hơn kích thước của màng qua còn các cấu tử có kích thước lớn hơn sẽ được giữ lại. Như vậy, áp suất càng cao thì quá trình thẩm thấu ngày càng nhanh. Phương pháp này chỉ áp dụng khi độ tinh khiết của khí không cao. Qua các phương pháp đã nêu trên, ta thấy phương pháp hấp phụ là cho hiệu suất khử nước là cao nhất, đem lại hiệu quả kinh tế cao và dễ tự động hóa. Bộ môn Lọc hóa dầu Lớp Lọc hóa dầu K51 Bài tập lớn môn Công nghệ Chế biến Khí - 6 - PHẦN II: TÍNH TỐN THÁP LÀM KHƠ KHÍ BẰNG DIETYLEN GLYCOL (DEG) Đề số 6: Cấu tử C 1 C 2 C 3 n-C 4 i-C 4 n-C 5 H 2 S CO 2 N 2 %V 70 8.2 4.8 4.1 3.5 2.8 1.8 2.5 2.3 Lượng khí cần làm khơ: 5.2.10 6 Nm 3 /ngày Nhiệt độ khí ngun liệu: 65 o C Áp suất khí ngun liệu: 8.5 MPa Điểm sương khí khơ: +15 o C Áp suất khí khơ: 8.2 MPa Lưu lượng DEG nghèo: 34 kg DEA / 1kg H 2 O. Bộ môn Lọc hóa dầu Lớp Lọc hóa dầu K51 Bài tập lớn môn Công nghệ Chế biến Khí - 7 - I. Tính tốn các thơng số Sơ đồ tháp hấp thụ làm khơ khí 1. Bước 1: Cụ thể hóa các dữ liệu ban đầu. Các số liệu xuất phát để tính tốn thiết kế q trình làm khơ bằng Glycol là: - Thành phần khí ngun liệu: Cấu tử C 1 C 2 C 3 n-C 4 i-C 4 n-C 5 H 2 S CO 2 N 2 %V 70 8.2 4.8 4.1 3.5 2.8 1.8 2.5 2.3 Lượng khí ngun liệu: 5.2.10 6 Nm 3 /ngày = 216.67.10 3 Nm 3 /h = 216.67.10 6 l/h - Nhiệt độ khí ngun liệu: 65 o C Bộ môn Lọc hóa dầu Lớp Lọc hóa dầu K51 Bài tập lớn môn Công nghệ Chế biến Khí - 8 - - Áp suất khí ngun liệu: 8.5 MPa - Điểm sương cần đạt đối với khí ra: +15 o C - Áp suất khí khơ: 8.2 MPa - Chất hấp thụ cần dùng: DEG (HO(-CH 2 -CH 2 -0-) 2 H) - Lưu lượng DEG nghèo bơm vào: 34 kg DEA / 1kg H 2 O 2. Bước 2: Xác định nồng độ tối thiểu của dung dịch glycol ( min  ). Kinh nghiệm thực tế cho thấy ở các thiết bị cơng nghiệp, sự làm khơ khí đến điểm sương cân bằng là khơng thể thực hiện được vì khí chỉ tiếp xúc với glycol có nồng độ đã tính tốn tại mâm trên cùng, còn ở các mâm dưới nồng độ các glycol sẽ giảm đi do sự hấp thụ nước. Do đó trong các thiết bị cơng nghiệp điểm sương thực tế của khí cần làm khơ sẽ cao hơn từ 5 – 11 o C so với điểm sương cân bằng. Ta có theo đầu bài cho điểm sương khí khơ +15 o C nên ta sẽ chọn điểm sương thấp hơn 8 o C  điểm sương khí khơ là 7 o C . Theo đầu bài nhiệt độ khí ngun liệu 65 o C, do nhiệt độ làm việc của tháp hấp thụ xấp xỉ nhiệt độ mơi trường nên khí ngun liệu trước khi vào tháp ta làm lạnh bằng khơng khí từ 65 o C xuống 40 o C  nhiệt độ khí ngun liệu vào tháp (nhiệt độ tiếp xúc) là 40 o C. Dựa vào đồ thị trên hình II.7, trang 98 [1] biểu diễn sự phụ thuộc của khí ngun liệu và điểm sương của khí ra với dung dịch DEG ta xác định được min  của DEG trong dung dịch: Điểm sương khí khơ: 7 o C Nhiệt độ khí ngun liệu: 40 o C  min  = 96,8 %  97% Vậy với khí ngun liệu có nhiệt độ vào 40 o C và điểm sương khí khơ 7 o C ta phải sử dụng dung dịch DEG 97%. Bộ môn Lọc hóa dầu Lớp Lọc hóa dầu K51 Bài tập lớn môn Công nghệ Chế biến Khí - 9 - 3. Bước 3: Xác định hàm lượng ẩm (W) của khí cần làm khơ dựa theo đồ thị II.1, trang 52 [2]. Theo thành phần khí ngun liệu ta thấy H 2 S chiếm 1,8% thể tích. Vậy hàm lượng của H 2 S được xác định như sau: - Áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng: PV = nRT  n = 165145 )15273(082.0 018.010.67.2161 6     RT PV mol  m H2S = 165145 x 34 = 5615.10 3 g  Hàm lượng H 2 S trong 1 m 3 là: 9.25 10.67.216 10.5615 3 3  g/Nm 3 >> 5.7 mg/Nm 3 Mà hàm lượng CO 2 2,5% > 2% Vậy khí ngun liệu đã cho là khí chua nên khi ta xác định hàm lượng ẩm của khí ngun liệu ta phải xét cả hàm lượng ẩm do H 2 S và CO 2 đóng góp. Từ đồ thị II.1:  T ngun liệu = 40 o C, P = 8.5 MPa  W HC = 940.10 -6 (kg/m 3 ) W H 2 S = 2700.10 -6 (kg/m 3 ) W CO 2 = 1400.10 -6 (kg/m 3 ) Áp dụng phương trình hàm lượng ẩm của khí chua: W 1 = W HC .Y HC + W H 2 S .Y H 2 S + W CO 2 .Y CO 2 = 940.10 -6 .0.957 + 2700.10 -6 .0,018 + 1400.10 -6 .0,025 = 983. 10 -6 (kg/m 3 )  T khí khơ = 15 o C, P = 8.2 MPa  W 2 = 262.10 -6 (kg/m 3 ) Trong đó: W 1 – Hàm lượng ẩm của khí ngun liệu (kg/m 3 ) W 2 – Hàm lượng ẩm của khí khơ (kg/m 3 ) Tính lưu lượng của dung dịch DEG nghèo theo phương trình: Bộ môn Lọc hóa dầu Lớp Lọc hóa dầu K51 Bài tập lớn môn Công nghệ Chế biến Khí - 10 - L 1 = V.( W 1 - W 2 ).l (3) Trong đó: V – Lưu lượng thể tích khí ngun liệu (Nm 3 /h) L 1 – Lưu lượng của dung dịch DEG nghèo (kg/h) l – Lưu lượng riêng của DEG Thay V = 216.67.10 3 m 3 /h vào (3): l = 34 kg DEA / 1kg H 2 O W 1 = 983. 10 -6 (kg/m 3 ) W 2 = 262.10 -6 (kg/m 3 )  L 1 = 216.67.10 3 .( 983. 10 -6 - 262.10 -6 ).34 = 5311.4 (kg/h) 4. Bước 4: Tính nồng độ của dung dịch DEG giàu ( 2  ) Ta có nồng độ của dung dịch DEG giàu được xác định theo phương trình cân bằng vật chất dựa trên độ ẩm trong pha lỏng và khí: 2  =   VWWL L 211 11   (4) Trong đó: 1  - Nồng độ phần khối lượng của dung dịch DEG vào (% ) ( 1   min  ) V – Lưu lượng khí ngun liệu vào Nm 3 /h) Ta lấy 1  = 97% Thay 1  = 97% vào (4): V = 216.67.10 3 m 3 /h W 1 = 983. 10 -6 (kg/m 3 ) W 2 = 262.10 -6 (kg/m 3 ) L 1 = 5311.4 (kg/h)  2  =   366 10.67.21610.26210.9834.5311 974.5311    = 94.2 [...]... Lọc hóa dầu Lớp Lọc hóa dầu K51 II Kết luận Qua q trình tính tốn ta thấy với khí ngun liệu có thành phần như trên ta cần thiết kế tháp làm khơ khí bằng Dietylen glycol có các thơng số sau : Các thơng số - Khí ngun liệu : Lưu lượng (m3/h) Nhiệt độ (oC) Ap suất (MPa) Hàm lượng ẩm W1 (kg/m3) Điểm sương (oC) Áp suất (MPa) Hàm lượng ẩm W2(kg/m3) - Khí khơ : - DEG nghèo vào: Lưu lượng riêng (kg DEG/1 kg... tháp (m) Q – Lưu lượng khí ngun liệu (Nm3/h) T – Nhiệt độ khí ngun liệu (oK) P- Áp suất khí ngun liệu (MPa) W - Vận tốc tuyến tính cuả khí trong tháp (m/h) Thay Q = 216,67.103 vào (12) : T = 40 + 273 = 313 oK P = 8.5 MPa W =0.13 m/s = 0.13.3600 = 468 m/h 0.1 216.67.10 3  313  0.47 (m) = 470mm  D = 0.0114 468  8.5 Vậy đường kính tháp hấp thụ là 470mm 13 Bước 13 : Tính chiều cao tháp hấp thụ H theo... nghệ Chế biến Khí - 12 - Bộ môn Lọc hóa dầu Lớp Lọc hóa dầu K51 11 Bước 11: Tìm số đĩa thực tế (nth) theo phương trình: nth  nlt  Trong đó:  - Hiệu suất làm việc của đĩa thường nằm trong khoảng 0.25 -0.4 Ta chọn:  = 0.35  nth  5.069  15 (đĩa) 0.35 Vậy số đĩa thực tế là 15 đĩa 12 Bước 12: Tính đường kính tháp hấp thụ D theo phương trình: D = 0.0114 0.1QT WP (12) Trong đó: D– Đường kính tháp (m) Q... Hằng số cân bằng của q trình hút ẩm K 0.0022 - Yếu tố hấp thụ A 2.48 Nồng độ  2 (%) - DEG giàu : - Hệ số tách ẩm: - Tháp hấp thụ: Thực tế Lý thuyết + Số đĩa: Lý thuyết (đĩa) Thực tế (đĩa) + Đường kính (mm) + Chiều cao (m) Bài tập lớn môn Công nghệ Chế biến Khí 0.733 0.994 5.069 15 470 9.65 - 15 - Bộ môn Lọc hóa dầu Lớp Lọc hóa dầu K51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Cơng nghệ chế biến khí thiên nhiên và khí dầu... lớn môn Công nghệ Chế biến Khí - 13 - Bộ môn Lọc hóa dầu Lớp Lọc hóa dầu K51 H = nth x d + h (13) Trong đó : d – khoảng cách giữa các đĩa (d = 0.5 – 0.6 m ) h – chiều cao bổ trợ tính cho chóp đỉnh và chóp đáy (h = 1.2 – 1.6 m) Ta lấy : d = 0.55 m h = 1.4 m Thay vào (13) ta được : H = 15 x 0.55 + 1.4 = 9.65 (m) Vậy chiều cao tháp hấp thụ 9.65m Bài tập lớn môn Công nghệ Chế biến Khí - 14 - Bộ môn Lọc hóa... A= L' KV ' Trong đó: L’ – Lưu lượng dung dịch glycol nghèo vào (kmol/h) V’ - Lưu lượng khí ngun liệu (kmol/h) Đổi đơn vị: L’= 5311.4 (kg/h) = 5311.4 = 50.1 (kmol/h) 106 V’= 216.67.103 m3/h =  A= 216.67.10 3 = 9180.9 (kmol/h) 23.6 50.1 = 2.48 0.0022  9180.9 Bài tập lớn môn Công nghệ Chế biến Khí - 11 - Bộ môn Lọc hóa dầu Lớp Lọc hóa dầu K51 8 Bước 8: Tính hệ số tách ẩm thực tế  T (0<  T . để ng n c n quá tr nh t o th nh hydrat, ch t ức chế th ng sử d ng glycol hoặc m tanol. Glycol th ng d ng l DEG (Dietylen glycol) , TEG (tri etylen glycol) ,. cao th quá tr nh th m th u ng y c ng nhanh. Phư ng ph p n y chỉ p d ng khi độ tinh khi t của kh kh ng cao. Qua các phư ng ph p đã n u tr n, ta th y phương