đồ án CN chế biến khí

Khí đồng hành và khí thiên nhiên khai thác từ lòng đất thường bão hòa hơi nước và hàm lượng hơi nước phụ thuộc vào ấp suất, nhiệt độ, và thành phần hóa học của khí. Mỗi một giá trị nhiệt độ và áp suất tương ứng với hàm lượng nước cực đại có thể nhất định. Hàm lượng ẩm tương ứng với hơi nước bão hòa tối đa được gọi là độ ẩm cân bằng. Hàm lượng hơi nước trong khí đồng hành và khí thiên nhiên cần phải biết vì hơi nước có thể bị ngưng tụ trong các hệ thống công nghệ xử lý sau này, hình thành các hydrat ( các tinh thể chất rắn ) dễ đóng cục chiếm các khoảng không trong các ống dẫn hay các thiết bị, phá vỡ điều kiện làm việc bình thường đối với các dây chuyền khai thác, vận chuyển và chế biến khí. Ngoài ra sự có mặt của hơi nước và các hợp chất chứa lưu huỳnh ( H2S và các chất khác ) sẽ là tiền đề thúc đẩy ăn mòn kim loại, làm giảm tuổi thọ và thời gian sử dụng của các thiết bị, công trình. Trước những nguy cơ về tác hại to lớn của hơi nước có mặt trong khí thiên nhiên và khí đồng hành trong các quy trình công nghệ thì việc làm khô khí sao cho đạt yêu cầu về tiêu chuẩn kỹ thuật là một nhiệm vụ bắt buộc để đảm bảo khả năng hoạt động ổn định và hiệu quả của các dây chuyền công nghệ chế biến các sản phẩn khí sau này. Khí được sấy khô với mục đích tách hơi nước và tạo ra cho khí có nhiệt độ điểm sương theo nước thấp hơn với nhiệt độ cực tiểu mà tại đó khí được vận chuyển hay chế biến. Do vậy, mục đích của đồ án này là thiết kế một sơ đồ công nghệ làm khô khí bằng phương pháp Hấp thụ dùng MonoEtylenGlycol (MEG) bằng phần mềm mô phỏng Hysys.

Lời Mở Đầu

Khí đồng hành và khí thiên nhiên khai thác từ lòng đất thường bão hòa hơi nước và hàm lượng hơi nước phụ thuộc vào ấp suất, nhiệt độ, và thành phần hóa học của khí Mỗi một giá trị nhiệt độ và áp suất tương ứng với hàm lượng nước cực đại có thể nhất định Hàm lượng ẩm tương ứng với hơi nước bão hòa tối đa được gọi là độ ẩm cân bằng

Hàm lượng hơi nước trong khí đồng hành và khí thiên nhiên cần phải biết vì hơi nước có thể bị ngưng tụ trong các hệ thống công nghệ xử lý sau này, hình thành các hydrat ( các tinh thể chất rắn ) dễ đóng cục chiếm các khoảng không trong các ống dẫn hay các thiết bị, phá vỡ điều kiện làm việc bình thường đối với các dây chuyền khai thác, vận chuyển và chế biến khí Ngoài ra sự có mặt của hơi nước và các hợp chất chứa lưu huỳnh ( H2S và các chất khác ) sẽ là tiền đề thúc đẩy ăn mòn kim loại, làm giảm tuổi thọ và thời gian sử dụng của các thiết bị, công trình

Trước những nguy cơ về tác hại to lớn của hơi nước có mặt trong khí thiên nhiên và khí đồng hành trong các quy trình công nghệ thì việc làm khô khí sao cho đạt yêu cầu về tiêu chuẩn kỹ thuật là một nhiệm vụ bắt buộc để đảm bảo khả năng hoạt động ổn định và hiệu quả của các dây chuyền công nghệ chế biến các sản phẩn khí sau này Khí được sấy khô với mục đích tách hơi nước và tạo ra cho khí có nhiệt độ điểm sương theo nước thấp hơn với nhiệt độ cực tiểu mà tại đó khí được vận chuyển hay chế biến

Do vậy, mục đích của đồ án này là thiết kế một sơ đồ công nghệ làm khô khí bằng phương pháp Hấp thụ dùng MonoEtylenGlycol (MEG) bằng phần mềm mô phỏng Hysys

Chương I - Tổng quan về quá trình công nghệ sấy khô khí

I. Cơ sở lý thuyết

Hydrat là những hợp chất có thể tồn tại một cách bền vững dưới dạng tinh thể Thực chất là những dung dịch rắn, trong đó các phân tử nước dung môi nhờ các liên kết hydro tạo thành “khung” hydrat Trong các khoang của khung này các phân tử khí có khả năng tạo hydrat như metan, etan, propan, isobutan, nitơ, H2S, CO2, argon sẽ chiếm chỗ Các hydrocacbon với phân tử của nó có thể xâm nhập vào “khung” cùng với các phân tử khí có kích thước nhỏ hơn, dẫn tới thay đổi áp suất cân bằng trên các hydrat Mức độ chiếm chỗ trong khung của các phân tử khí tạo hydrat đối với thành phần khí đã cho chủ yếu phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ của hệ Các tinh thể hydrat hình thành trên bề mặt phân chia pha của hệ khí-nước Nước tự do còn lại sau khi đã hình thành các hydrat chỉ tiếp tục chuyển thành trạng thái hydrat khi có sự khuấy trộn các pha và khi có những điều kiện nhiệt động thích hợp Khi không có sự khuấy trộn thì quá trình khuếch tán của khí qua lớp màng cứng của các hydrat rất khó khan và sự phát triển liên tục của các hydrat sẽ không xảy ra

Điều kiện hình thành các hydrat ngoài ra còn phụ thuộc vào hàm lượng của muối có trong nước, hàm lượng của chúng tăng sẽ dẫn đến giảm nhiệt độ bắt đầu tạo thành hydrat Nhiệt độ này cũng phụ thuộc vào thành phần khí, ví

dụ nhiệt độ bắt đầu tạo thành hydrat của metan khi có mặt propan, CO2, H2S

sẽ thấp hơn so với khi vắng mặt các chất này Hình dạng của hydrat rất đa dạng, nó được xác định bởi thành phần khí và các điều kiện nhiệt động học Thông thường về hình dạng chúng giống như nước đá hay tuyết âm nén

Nhằm ngăn ngừa sự hình thành các hydrat người ta sử dụng rộng rãi phương pháp ức chế tức là phương pháp đưa vào dòng khí các chất khác nhau gọi là các chất ức chế làm hạ nhiệt độ tạo thành hydrat như methanol, glycol

… và phương pháp làm khô (tách nước) khí dựa trên cơ sở tách hơi nước ra khỏi khí bằng các chất hấp thụ lỏng hoặc rắn

- Phương pháp ức chế: thực chất là cho chất ức chế vào dòng khí ẩm, chất ức

chế sẽ tan trong nước tự do, kết quả là làm giảm áp suất hơi nước và hạ

nhiệt độ tạo thành hydrat Hiện nay các chất ức chế ngăn ngừa sự tạo thành hydrat thông dụng nhất là:

o Sử dụng chất ức chế là methanol, cần có khu vực khử hydrat và khu vực khử axit

o Sử dụng chất ức chế glycol

Trong thực tếthường sử dụng các loại glycol: EG, DEG,TEG với nồng độ khoảng 60 - 80 % khối lượng Việc lựa chọn một loại glycol

sử dụng đạt hiệu quả cao chomột quá trình xử lý khí nào đó phụ thuộc vào :

 T đông đặc và độ nhớt của dung dịch glycol ;

 độ hạ T tạo hydrate đối với nồng độ glycol đã cho ;

 khả năng hòa tan của glycol trong HC ngưng tụ ;

 thành phần khí

Độ hạ T điểm sương của khí phụ thuộc vào loại chất ức chế,nồng độ của

nó và T khí tiếp xúc với chất ức chế

Những ưu điểm mà các glycol có được

Không gây độc với người và môi

trường

Gây độc hại với người và môi trường

Có áp suất hơi bão hòa rất thấp và

có khả năng thu hồi rất cao bằng

phương pháp vật lí đơn giản là cô

đặc các dung dịch nước chứa

glycol

Áp suất hơi bão hòa cao do vậy khó tách ra khỏi dòng khí, việc tái sinh

nó rất phức tạp nên việc tiêu hao chất ức chế là lớn

Nhiệt độ sôi cao nên khó bị bay hơi

Tránh mất mat khỏi thiết bị

Nhiệt độ sôi thấp nên khả năng thất thoát là rất cao

Không gây ăn mòn cho thiết bị Một số phân xưởng đôi khi cần thiết

kế thêm các thiết bị loại axit có thể sinh ra

- Phương pháp hấp phụ: các phương pháp hấp phụ cho phép đạt điểm sương

theo ẩm trong khoảng 100–200oC và sấy sâu khí đến điểm sương -85 ÷ -100oC Các chất hấp phụ có thể chia thành : Boxit là khoáng thiên nhiên chứa chủ yếu là oxit nhôm ; oxit nhôm hoạt hóa là Boxit đã làm sạch ; các

loại Gel là những hợp chất cấu tạo từ oxit silic và alumogel ; các rây phân

tử là các zeolite Các chất hấp phụ có bề mặt riêng rất lớn ( 500-800 m2/g )

và bề mặt này được tạo thành từ các mao quản hay mạng tinh thể Các quá trình hấp phụ có thể thực hiện gián đoạn trong các thiết bị với tầng thấp hấp phụ cố định hoặc liên tục với các thiết bị chứa các lớp hấp phụ chuyển động Tuy nhiên các quá trình liên tục rất ít khí được sử dụng do các thiết bị công nghệ rất phức tạp

- Phương pháp thẩm thấu khí: Cho đến nay, quá trình dehydrat hóa bằng thẩm

thấu khí hầu như không còn được sử dụng trong công nghiệp xử lý khí nữa

do những yêu cầu kỹ thuật quá cao của quá trình Để déshydrat hóa khí bằng thẩm thấu phải lựa chọn những hợp chất cao phân tử thích hợp có αij rất lớn, khoảng200.000 (với loại màng mỏng đồng thể và không hề có khuyết tật) và khoảng300÷ 500 (với loại chùm sợi rỗng) Hơn nữa, phải chấp nhận một lượng C1 thẩm thấu qua màng lọc để màng lọc được chọn có bề mặt riêng không quá lớn

- Phương pháp hấp thụ: phương pháp hấp thị được sử dụng rộng rãi để sấy

khô khí tại các công trình ống dẫn khí cũng như trong các nhà máy chế biến khí Chất hấp thụ sấy khô là những dung dịch nước đậm đặc của mono- ,

di-và trietylenglycol Sự sấy khô khí bằng các chất hấp thụ này dựa trên sự khác biệt về áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí và trong chất hấp thụ Giá trị điểm sương của khí được đảm bảo bằng dung dịch Glycol

So sánh ưu nhược điểm của các dung môi hấp thụ nước:

MEG

Ít tan trong khí ngưng tụ Dung dịch đậm đặc không bị đông đặc Độ nhớt thấp tăng khả năng tiếp xúc với hỗn hợp khí

Có khả năng ngăn ngừa tạo hidrat cao hơn DEG và TEG

Áp suất hơi bão hòa cao hơn DEG và TEG Nhưng độ hòa tan trong

HC cao hơn DEG và TEG

DEG

Độ hút ẩm cao, khá bền khi có mặt các hợp chất lưu huỳnh, O2

và CO2 ở nhiệt độ thường

Dung dịch đậm đặc không bị đông đặc ở nhiệt độ cao có độ chọn lọc cao

Tiêu hao do thất thoát cao hơn TEG Khi tái sinh khó thu được DEG nồng độ >95% Điểm sương thấp hơn so với TEG Giá thành cao

Ưu điểm Nhược điểm

TEG

Độ hút ẩm cao Tạo điểm sương cho khí sấy cao (27.8 – 47.3oC)

độ bền cao khi có mặt các hợp chất lưu huỳnh, O2 và CO2 ở nhiệt độ bình thường Khi tái sinh dễ thu được nồng độ cao

>99% Dung dịch không bị đông đặc Độ bay hơi TEG thấp hơn DEG

Đòi hỏi chi phí đầu tư cao Dung dịch TEG có khả năng tạo màng khi

có mặt các HC nhẹ Độ hòa tan của các HC nhẹ trong TEG cao hơn DEG

Metanol

Giá thành rẻ Được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống vận chuyển Điều kiện thường dung dịch đậm đặc không bị đông đặc Có độ nhớt thấp nhất nên khả nẳng tiếp xúc với hỗn hợp khí là cao hơn các glycol

Có áp suất riêng phần cao lên khó tách ra khỏi khí khi tái sinh Tiêu hao lớn

Đặctính vật lý của các Glycol và Metanol (dùng làm khô khí)

ĐẶC TÍNH

METANO L

Công thức

HC-CH2

-CH2 -OH

HO-(CH2

-CH2 -O)2-H

HO-(CH2

-CH2 -O)3-H

HO-(CH2

-CH2 -O)4-H

CH3OH

Điểm sôi ở áp

suất 760mmHg,

( o C)

Áp suất hơi ở

25 o C, (mmHg) 0.12 <0.01 <0.01 <0.01 120

Khối lượng

riêng ở 25 o C,

(g/ml)

Khối lượng

riêng ở 25 o C,

(pound/usgall)

Điểm đông đặc,

ĐẶC TÍNH

METANO L

Độ

nhớt

động

lực

(cP)

-Sức căng bề

mặt ở 25 o C

(dyn/cm)

Chỉ số khúc xạ

Nhiệt dung

riêng ở 25 o C

(kj/kg o C)

Điểm chớp

cháy cốc kín

( oC)(flash

point)

Điểm chớp

cháy côc hở

( oC) (fire point)

-Nhiệ

t độ

phân

hủy

-II. Sơ đồ nguyên tắc công nghệ sấy khô khí bằng phương pháp hấp

thụ dùng Glycol [1]

Thiết bị Dòng vật chất

2, 4 T.Bị Trao đổi nhiệt II Khí đã làm khô

3 TB thổi khí để tách HC hòa tan III Dòng glycol giàu

5 Tháp tái sinh IV Dòng khí thổi ra

6 TB gia nhiệt V Dòng glycol bổ sung nếu cần

7 TB làm nguội VI Dòng glycol tái sinh (glycol nghèo)

8 Bồn chứa VII Dòng hơi nước (chứa 1 ít glycol)

9 Bơm

Điều kiện hoạt động

- Tháp hấp thụ (1):

+ Nhiệt độ thấp (15 – 38oC)

+ Áp suất cao (60 – 85 bar)

- Tháp tái sinh (5):

+ Nhiệt độ cao: Tđỉnh (115oC) ≤ Tđáy≤ Tp.hủy glycol

+ Áp suất thấp (1 – 1.2 bar)

Chương II -Tính toán các thông số cơ bản của tháp làm khô khí bằng

phương pháp hấp thụ dùng MonoEtylenGlycol

I. Dữ liệu ban đầu :[3]

- Thành phần khí :

Cấu

- Nhiệt độ khí nguyên liệu : 50oC

- Lưu lượng khí nguyên liệu : 5.106 m3/ngày đêm

- Áp suất khí nguyên liệu : 68 Bar

- Áp suất khí khô : 66 Bar

- Điểm sương khí khô : 10oC

- Chất hấp thụ MEG (Mono Etylen Glycol)

- Lưu lượng riêng chất hấp thụ 30Kg/Kg H2O

II. Yêu cầu tính :

- Nồng độ tối thiểu của Glycol

- Lượng dung dịch tuần hoàn/h (kg/h, kmol/h)

- Số đĩa lý thuyết của tháp

- Đường kính tháp

- Chiều cao tháp

III. Các bước tính toán [1]

Bước 1 : Cụ thể hóa các số liệu ban đầu

 Lưu lượng khí nguyên liệu 5.106 m3/ngày đêm = 208333,33 m3/h

 Áp suất khí nguyên liệu 68 Bar = 6,8 MPa

 Áp suất khí khô 66 Bar = 6,6 Mpa

 Khối lượng phân tử trung bình của khí nguyên liệu

Trong đó : Mi khối lượng phân tử của cấu tử i

Ci phần trăm cấu tử i

o M = 21,68 đvc

o Tỷ trọng khí(coi tỷ trọng bằng khối lượng riêng)

Bước 2: Xác định nồng độ Glycol tái sinh tối thiểu

Dựa vào nhiệt độ tiếp xúc (được nhận bằng nhiệt độ của khí cần sấy khô)

và điểm sương của khí đã sấy khô để xác định nồng độ của Glycol tái sinh tối thiểu αmin cần để thu được điểm sương cho trước của khí thông qua sơ đồ hình

II.5 (trang 96 –[1]), giản đồ này phản ánh các giá trị cân bằng, mà trong điều kiện thực tế không đạt được, nên để xác định nồng độ Glycol theo đồ thị này ta phải nhận điểm sương của khí thấp hơn giá trị đã cho 5-8oC

Ta chọn nhiệt độ điểm sương thấp hơn giá trị đã cho 6oC, tức nhiệt độ điểm sương là 4oC Dựa vào đồ thị hình II.5 suy ra :

Nồng độ Glycol tái sinh tối thiểu αmin = 97%

Bước 3 : Xác định hàm lượng ẩm của khí cần sấy khô

Dựa vào đồ thị hình II.1 (trang 90 – [1]) xác định hàm lượng ẩm của khí cần sấy khô ω1 và của khí đã sấy khô ω2 (Do tỷ trọng của khí là 0,55 nhỏ hơn 0,6 nên ta không cần hệ số hiệu chỉnh hàm lượng ẩm)

Với khí nguyên liệu ở điều kiện T = 50oC ; 6,8 Mpa

ω1 = 1,7 g/m3 = 0,0017 kg/m3

Với khí khô ở áp suất 6,6 MPa và có nhiệt độ điểm sương là 10oC

ω2 = 0,22 g/m3 = 0,00022 kg/m3

Bước 4 : Tính lưu lượng chất hấp thụ tái sinh

L1 = Vo*( ω1 - ω2 )*l(kg/h) Trong đó:l là lưu lượng riêng chất hấp thụ(kg/kg H2O)

ω1 , ω2 là hàm lượng ẩm của khí cần sấy khô và khí đã sấy khô(kg/ m3)

Vo là thể tích dòng khí nguyên liệu quy đổi ra điều kiện chuẩn

o Để quy đổi được lưu lượng khí vào về điều kiện tiêu chuẩn thì trước hết ta phải xác định được hệ số nén thể tích Z của khí vào ở nhiệt độ 50oC và áp suất 6,8 Mpa Muốn thế trước hết ta phải xác định được nhiệt độ giả tới hạn và áp suất giả tới hạn của dòng khí

nguyên liệu

o Nhiệt độ giả tới hạn của hí nguyên liệu được tính theo công thức:

TPC = ∑ Yi*TCi

o Áp suất giả tới hạn của khí nguyên liệu được tính theo công thức:

PPC = ∑ Yi*PCi

o Trong đó: Yi là nồng độ phần mol của cấu tử i

TCi là nhiệt độ tới hạn của cấu tử i

PCi là áp suất tới hạn của cấu tử i Bảng 1:tính nhiệt độ tới hạn của khí nguyên liệu Cấu

tử

C1 C2 C3 n-C4 i-C4 n-C5 n-C6 N2 He

Yi 0,82 0,047 0,038 0,025 0,028 0,015 0,012 0,01 0,005

TCi 190,55 305,43 369,82 425,16 408,13 469,65 507,35 126,26 5

PCi 4,61 4,88 4,25 3,8 3,65 3,37 3,01 3,4 0,23

Từ các số liệu tìm được ở bảng 1 thay vào các công thức tính nhiệt độ giả tới hạn và áp suất giả tới hạn của dòng khí nguyên liệu là:

TPC = ∑ Yi*TCi = 221 K

PPC = ∑ Yi*PCi = 4,49 Mpa

o Sau khi tìm được nhiệt độ giả tới hạn và áp suất giả tới hạn của dòng khí nguyên liệu ta tiếp tục xác định nhiệt độ giả rút gọn và

áp suất giả rút gọn của dòng khí nguyên liệu như sau:

o Nhiệt độ rút gọn của dòng khí nguyên liệu là:

TPR = PC

T T

= 221

273

50 +

= 1,46

o Áp suất giả rút gọn của dòng khí nguyên liệu là:

PPR = PC

P P

= 4,49

8 , 6

= 1,515

o Sau khi tính được nhiệt độ giả rút gọn và áp suất giả rút gọn,dựa vào biểu đồ hình 3.2 ta sẽ xác định được hệ số nén Z = 0,85

o Thể tích của dòng khí nguyên liệu được quy đổi về điều kiện

chuẩn theo công thức sau:

VO= PoT Z

ToV P

.

.

o Trong đó: P = 6,8 Mpa

To = 15 + 273 = 288 K

Po = 0,1 Mpa

T = 50 + 273 = 323 K

Z = 0,85

Từ đó ta tính được Vo = 14,86*106 m3/h

o L1 = 14,86*10^6*(0,0017 – 0,00022)*30 = 659784 (kg/h)

Bước 5 : Tính nồng độ Glycol bão hòa xác định theo phương trình cân bằng vật chất dựa trên độ ẩm trong pha lỏng và khí

Ta chọn nồng độ ban đầu của dung dịch Glycol là α1= 99% lớn hơn nồng độ tối thiểu của Glycol là αmin= 97%

Từ đó suy ra :

Bước 6 : Tính lượng dung dich Glycol bão hòa sau khi hấp thụ

o

Bước 7:Tính hằng số cân bằng theo phương trình

Trong đó M0 là khối lượng phân tử của chất hấp thụ MMEG = 62 đvc

Bước 8 : Xác định yếu tố hấp thụ A theo công thức

Trong đó :

L’ là lưu lượng lỏng dung môi vào tháp tính ra Kmol/h

V’ lưu lượng khí cần làm khô tính ra Kmol/h

- Xác định L ’ từ L 1 : theo tính toán ở trên ta có L1 = 659784 kg/h Khối lượng phân tử trung bình của dung môi hấp thụ được tính theo công thức

o

- Xác định V ’ từ Vo: theo trên ta có Vo = 14,86*106 m3/h

kmol/h Vậy :

Bước 9 : Hệ số tách ẩm thực tế của quá trình hấp thụ

Bước 10 : Hệ số tách lý thuyết khi tính toán có chú ý đến lượng nước trong glycol tái sinh

Trong đó : X0 là nồng độ phần mol của nước trong chất hấp phụ tái sinh

Yn+1 là phần mol nước trong khí cần sấy khô

Yn+1 = (ω1*23,6)/18 = (0,0017*23,6)/18 = 2,229*10-3

o =

Bước 11 : Tính số đĩa lý thuyết

Ta có :

o (n+1) =

o n = 5,23

Bước 12 : Tính số đĩa thực tế

Theo kinh nghiệm thực tế thì hiệu suất làm việc của đĩa là từ 0,25-0,4

Ta chọn hiệu suất làm việc của đĩa là : ȵ = 0,35

Vậy số đĩa thực tế của tháp hấp thụ là 15 đĩa

Bước13 : Tính đường kính tháp hấp thụ

Trong đó : Q là lưu lượng khí nguyên liệu m3/s

T là nhiệt độ khí nguyên liệu K

P áp suất khí Mpa

ω vận tốc tuyến tính của dòng khí trong tháp (0,05-0,15 m/s)

Chọn ω = 0,13 m/s

o

Bước 14 : Tính chiều cao tháp hấp thụ

H = Ntt *d + h Trong đó : d là khoảng cách giữa 2 đĩa 0,5-0,6 m

h là chiều cao vòm đỉnh và đáy tháp 1-1,2 m

Chọn d = 0,6 m và h = 1,2 m

o H = 15*0,6 + 1,2 = 10,2 m

Vậy chiều cao tháp là 10,2 m

Kết Luận

Từ quá trình tính toán cho tháp hấp thụ làm khô khí sử dụng dung môi hấp thụ là MEG, chúng ta có thể rút ra một số kết luận:

Nếu nhiệt độ làm việc của tháp hấp thụ là 50oC và ta sử dụng dung môi là MEG 97% thì điểm sương của khí khô mà ta thu được có thể đạt được yêu cầu

mà ta đã đưa ra là 10oC Nói cách khác, vì điểm sương của khí khô cần đạt được