Nh÷ng ph©n xëng lo¹i níc ®îc x©y dùng trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y hÇu nh chØ sö dông TEG, bëi v× nã cã nh÷ng yªu ®iÓm nh : cã ®é hót Èm cao, bÒn khi cã mÆt H2S , CS2 , CO2 , cã thÓ t¸i sinh ®¹t nång ®é > 99 % vµ cã thÓ lµm viÖc ë nhiÖt ®é thÊp. Tuy nhiªn nã còng cã mét sè nhîc ®iÓm ®ã lµ cã thÓ t¹o mµng víi c¸c HC láng, kh¶ n¨ng hoµ tan HC cña TEG lín h¬n cña DEG vµ gi¸ thµnh cña TEG còng kh¸ cao.
Trang 1Lời nói đầu
Khí tự nhiên cũng nh khí đồng hành, khí lọc dầu ( sinh ra từ nhà máy lọc dầu ) có thành phần hoá học kém đa dạng hơn dầu mỏ, có tính chất vật lí đơn điệu hơn dầu mỏ, cho nên việc chế biến khí đơn giản hơn, nếu mục đích của chế biến chỉ là “lọc” khí, nghĩa là chỉ để tạo ra các sản phẩm mà thành phần của chúng về cơ bản đã có trong khí cần đợc chế biến Còn việc chế biến khí, các hydrocacbon nói chung thành những sản phẩm hoá dầu thì lại rất phức tạp cà vô cùng đa dạng.
Khí tự nhiên, các phân đoạn khí nói chung thờng đợc chế biến theo quy trình : loại bụi, loại
n-ớc, loại khí axit H2S, CO2 , loại mecaptan, hấp thụ, chng cất phân đoạn Trong đó, quá trình loại nớc là một quá trình rất quan trọng bởi vì sự có mặt của hơi nớc trong khí có thể dẫn đến hiện tợng tắc đờng ống dẫn khí khi nhiệt độ hạ xuống thấp do hiện tợng tạo tinh thể hydrat Nhiệt độ khí
có thể giảm mạnh khi khí đi qua các van giảm áp, các máy giãn khí ( Expander ) thờng đợc sử dụng trong các hệ thống thu hồi LPG, ở đó nhiệt độ có thể đạt tới âm vài ba chục độ bách phân
Sự có mặt của nớc là không thể chấp nhận đợc đối với một số sản phẩm khí vốn đợc làm chất đầu trong công nghiệp hoá dầu.
Ngày nay, ngời ta thờng sử dụng chủ yếu 2 phơng pháp loại nớc : phơng pháp hấp thụ nhờ dung môi glycol và phơng pháp hấp phụ nhờ các chất hấp phụ rắn nh Al2O3 , SiO2 , zeolit và than hoạt tính Phơng pháp hấp thụ đợc dùng phổ biến hơn nhiều nhng lại không tạo ra khí có
đợc điểm sơng đủ thấp, cho nên trong những trờng hợp cần làm lạnh thâm độ khí thì trớc đó ngời
ta cần phải loại nớc bằng phơng pháp hấp phụ, còn khi không cần loại hoàn toàn hơi nớc thì nên dùng phơng pháp hấp thụ vì rẻ tiền hơn.
Etylen glycol HO – CH2 – CH2 – OH , dietylen glycol HO – CH2 – CH2 – O – CH2 – CH2 –
OH, trietylen glycol HO – CH2 – CH2 – O – CH2 – CH2 – O – CH2 – CH2 – OH , là những chất lỏng có khả năng hoà tan tốt nớc nên hay đợc dùng để loại nớc từ khí.
Trong phạm vi bài tập lớn này, chúng ta sẽ tìm hiểu về quá trình loại nớc bằng phơng pháp hấp thụ nhờ trietylen glycol ( TEG )
Nhân đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Tiến sĩ Nguyễn Danh Nhi thuộc bộ môn Lọc hoá dầu, Khoa Dỗu khí, Trờng đại học Mỏ Địa chất đã cung cấp cho em những kiến thức quý báu và những tài liện cần thiết, đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành bài tập lớn này.
Do những hạn chế về kiến thức của bản thân cũng nh là khả năng của em còn có hạn cho nên trong bài tập của em sẽ còn có những chỗ thiếu sót và chắc chắn vẫn còn không ít chỗ sai sót Chính vì thế, em hy vọng sẽ nhận đợc những lời góp ý đóng góp từ các thầy cô giáo, từ các bạn
đồng nghiệp để em có thể làm tốt hơn những bài tập sau và em xin tỏ lòng biết ơn về những ý kiến
đóng góp đó.
Hà Nội, ngày 25 tháng 10 năm 2006 Sinh viên.
Cao sĩ Tuấn.
Trang 2I Đặt vấn đề.
Việc loại hơi nớc ra khỏi khí là một công việc quan trọng và gần nh là bắt buộc trong một quy trình chế biến khí, bởi vì sự có mặt của hơi nớc trong khí có thể dẫn đến hiện tợng tắc đờng ống dẫn khí khi nhiệt độ hạ xuống thấp do hiện tợng tạo hydrat; đặc biệt là tại các van giảm áp, các máy giản khí vì ở đó nhiệt
độ của khí có thể giảm mạnh và đạt tới âm vài ba chục độ bách phân
Phơng pháp loại nớc đợc dùng phổ biến hiện nay là phơng pháp hấp thụ nhờ các dung môi có khả năng hấp thụ hơi nớc có trong khí Có không ít các chất lỏng có khả năng hấp thụ nớc, nhng số chất lỏng có thể đáp ứng đợc những yêu cầu về mặt kỹ thuật cũng nh những đòi hỏi về mặt kinh tế lại không nhiều Những yêu cầu, những đòi hỏi đối với một dung môi đó là : phải rất háo nớc, có
độ nhớt không cao, khó bị đông đặc để có thể làm việc ở nhiệt độ thấp, không gây ăn mòn, không tạo kết tủa với các cấu tử khí, dễ tái sinh, không hoặc ít hoà tan hydrocacbon (HC), ít tan trong hydrocacbon lỏng, bền với nhiệt, không có khả năng tác dụng với các chất khác có thể có trong khí nh H2S , CO2 , không
yêu cầu trên nên chúng là những dung môi hấp thụ nớc đợc dùng phổ biến nhất Những phân xởng loại nớc đợc xây dựng trong những năm gần đây hầu nh chỉ sử dụng TEG, bởi vì nó có những yêu điểm nh : có độ hút ẩm cao, bền khi
có mặt H2S , CS2 , CO2 , có thể tái sinh đạt nồng độ > 99 % và có thể làm việc ở nhiệt độ thấp Tuy nhiên nó cũng có một số nhợc điểm đó là có thể tạo màng với các HC lỏng, khả năng hoà tan HC của TEG lớn hơn của DEG và giá thành của TEG cũng khá cao
Bảng 1 Một số tính chất vật lý của DEG, TEG.
Nhiệt dung riêng ở 25oC [cal/độ.g] 0,55 0,53
Trang 3Trong phạm vi bài tập lớn này, em sẽ đi tìm hiểu về phơng pháp làm khô khí bằng TEG qua việc tính toán cụ thể cho một tháp hấp thụ với các thông số nh sau :
* Thành phần dòng khí nguyên liệu : đợc cho ở bảng 2
Bảng 2 Thành phần của dòng khí nguyên liệu.
* Lu lợng khí nguyên liệu : 3.106 Nm3/ ngày
* Nhiệt độ khí nguyên liệu : 58 oC
* áp suất khí nguyên liệu : 7,2 MPa
* Điểm sơng cần đạt khí ra : 0 oC
* áp suất khí ra : 7 MPa
* Lu lợng riêng TEG nghèo : 28 kg TEG/ kg H2O
II sơ đồ công nghệ
Trớc khi thực hiện quá trình tính toán cho tháp làm khô khí bằng TEG, ta sẽ
đi tìm hiểu một cách tổng quan về sơ đồ công nghệ loại nớc khỏi khí bằng TEG Trên hình 1 là một trong những sơ đồ công nghệ nh thế
Hình 1 Sơ đồ công nghệ loại nớc bằng TEG.
Trang 4Trong đó, các ký hiệu thiết bị :
- 1, 3 : Thiết bị tách lỏng – hơi
- 2 : Tháp hấp thụ
- 4 : Thiết bị trao đổi nhiệt
- 5 : Bồn chứa tách khí
- 6 : Thiết bị lọc
- 7 : Thiết bị tái sinh TEG
- 8 : Bồn chứa TEG
- 9 : Bơm
- 10 : Thiết bị làm lạnh
Khí chứa hơi nớc hay còn gọi là khí ớt ( Wet Gas ) đi qua thiết bị tách (1) để loại bớt pha lỏng rồi vào phần dới của tháp hấp thụ (2), ở đó nó bay lên và gặp dòng TEG sạch từ trên đỉnh tháp đi xuống Dòng khí khô ra khỏi đỉnh tháp hấp thụ có thể kéo theo những giọt lỏng nên sẽ đợc cho qua bình tách (3) Pha lỏng
từ đáy tháp hấp thụ và đáy bình tách (3) đợc hâm nóng nhờ trao đổi nhiệt với dòng TEG sạch ở thiết bị trao đổi nhiệt (4), sau đó vào bồn chứa (5) Dòng lỏng
ra khỏi (5) qua thiết bị lọc (6) để loại những hạt rắn có thể gây ra sự tạo bọt của TEG trong thiết bị tái sinh (7) nếu có các bóng khí thoát ra từ TEG - giàu và nóng Từ thiết bị tái sinh (7) dòng TEG sạch nhờng nhiệt ở (4), vào bồn chứa (8), từ đó đợc bơm (9) nâng lên đỉnh tháp hấp thụ Trớc khi vào tháp hấp thụ, dòng TEG sạch cần đợc làm lạnh ở (10) Từ (5), (8), hơi nớc và hơi TEG thoát
ra đều đợc dẫn về thiết bị tái sinh
iii tính toán cho tháp làm khô khí bằng Teg ( tháp hấp thụ 2 )
1 Cơ sở của việc tính toán :
Việc tính toán cho tháp làm khô khí bằng glycol dựa trên cơ sở là các phơng trình xác định hệ số tách ẩm ϕT, hệ số hấp thụ A và hằng số cân bằng lỏng – hơi K Cụ thể nh sau :
) (
) (
1
1 ' 1 1
1 ' 0 1
1
' 1
' 1 1
−
−
−
−
−
=
−
+
+ +
+
+
+
A Y
A A Y A
A A Y
Y
Y
n n
n
n n
n
n T
Trong đó : Y n
' 1
+ là hàm luợng nớc của khí nguyên liệu
Trang 5Y1' là hàm lợng nớc của khí đã sấy.
Y'0 là hàm lợng nớc của khí nằm cân bằng với dung môi tái sinh
n là số mâm lý thuyết
A là hệ số hấp thụ ( hay còn gọi là yếu tố hấp thụ )
Yếu tố hấp thụ A đợc tính theo công thức sau:
' '
.V K
L
A= (1.2) Trong đó : L’ là lu lợng của dung môi tái sinh (dung môi nghèo)
V’ là lợng khí cần làm khô
K là hằng số cân bằng lỏng – hơi
Hằng số cân bằng lỏng - hơi K đợc xác định theo công thức (1.3)
) 1 (
44 , 748
] 18 )
1 [(
0
0 2
α
α
α
−
+
−
=
M
M w
K (1.3) Với α là phần khối lợng của dung môi tinh khiết.
M0 là khối lợng phân tử của dung môi tinh khiết
w2 là hàm lợng ẩm của khí đã làm khô
2 Tính toán.
Dựa trên cơ sở đã nêu ở trên, ta sẽ thực hiện tính toán cụ thể với tháp hấp thụ làm khô khí bằng TEG
2.1 Xác định nồng độ TEG nghèo cần dùng.
Nồng độ TEG nghèo cần dùng để có thể đáp ứng đợc yêu cầu của bài toán đa
ra sẽ đợc xác định dựa vào nhiệt độ tiếp xúc ( ở đây ta chấp nhận lấy nhiệt độ của dòng khí nguyên liệu là nhiệt độ tiếp xúc ) là 58oC và điểm sơng của khí đã làm khô là 0 oC
Ta sẽ dùng đồ thị hình II.8 để xác định α min của TEG Kinh nghiệm cho thấy rằng ở những điều kiện làm việc của tháp hấp thụ thì điểm sơng của khí khô thu
đợc thờng lớn hơn 5 – 10 oC so với điểm sơng mà ta chọn để tra cứu, cho nên ở
đây ta sẽ tra cứu nồng độ α min của TEG theo điểm sơng của khí khô là - 5oC
Từ đồ thị hình II.8 ta tra đợc nồng độ của TEG là α min= 99,1%
Trang 62.2. Xác định hàm lợng ẩm của khí nguyên liệu ( khí ớt ) và khí sản phẩm ( khí khô ).
Hàm lợng ẩm của khí nguyên liệu vào tháp gồm hàm lợng ẩm của khí ngọt
theo công thức sau:
wvào=yHC.wHC + yCO2.wCO2+ yH2S.wH2S (2.1) Trong đó : wHC : là hàm lợng ẩm của khí ngọt trong khí ớt, kg/ 106m3 khí tại
100kPa và 15 oC
wCO2 : là hàm lợng ẩm do CO2 đóng góp trong khí ớt, kg/ 106m3
khí tại 100kPa và 15 oC
wH2S : là hàm lợng ẩm do H2S đóng góp trong khí ớt, kg/ 106m3 khí
tại 100kPa và 15 oC
yHC : là tổng phần mol của các cấu tử HC
yCO2 và yH2S lần lợt là phần mol của CO2 và của H2S
Ta có thể tra hàm lợng ẩm của khí ngọt wHC nhờ biểu đồ hình 1.a; hàm lợng
ẩm do CO2 đóng góp wCO2 và do H2S đóng góp wH2S trong khí nguyên liệu lần lợt
đợc xác định nhờ các biểu đồ 2 và biểu đồ 3 ( các biểu đồ đợc cho ở phần phụ lục ) tại nhiệt độ 58 oC và áp suất 7,2 MPa Kết quả tra bảng nh sau :
Tại nhiệt độ 58 oC và áp suất 7,2 MPa :
wHC = 2400 kg/ 106m3 khí ở đktc
wCO2 = 3900 kg/ 106m3 khí ở đktc
wH2S = 5600 kg/ 106m3 khí ở đktc
Vậy, hàm lọng ẩm của khí nguyên liệu đợc tính theo công thức (2.1) là :
wvào = yHC.wHC + yCO2.wCO2+ yH2S.wH2S
wvào = 0,96.2400 + 0,022.3900 + 0.008.5600
wvào = 2434,6 kg/ 106m3 khí ở đktc
Tơng tự nh trên, ta có thể xác định đợc hàm lợng ẩm của khí ra tại điểm sơng của khí ra là 0 oC và áp suất của khí ra là 7 MPa Tuy nhiên, tại nhiệt độ 0 oC thì hàm lợng ẩm do CO2 và do H2S đóng góp là không đáng kể, cho nên ta tính hàm lợng ẩm của khí ra theo hàm lợng ẩm của khí ngọt ( đợc tra nhờ biểu đồ hình 1.a )
Ta có, hàm lợng ẩm của khí ra tại 0 oC và 7 MPa là :
wra = 0,96.110 = 105,6 kg/ 106m3 khí ở đktc
Lu lợng của dòng dung môi TEG nghèo đợc tính theo công thức sau :
L1 = V0.( wvào- wra) L (2.2)
Trang 7Trong đó : wvào và wra lần lợt là hàm lợng ẩm của khí nguyên liệu và khí sản
phẩm ( đã đợc tính ở mục 2.2 )
Vo là lu lợng của khí vào đợc quy về điều kiện tiêu chuẩn, m3/h
L là lu lợng riêng của dung môi nghèo L= 28 kgTEG/ kg H2O
Để có thể quy đổi lu lợng của khí vào về điếu kiện tiêu chuẩn thì trớc hết ta phải xác định đợc hệ số nén thể tích Z của khí vào tại nhiệt độ 58 oC và áp suất 7.2 MPa Muốn thế thì trớc hết ta phải tính đợc nhiệt độ giả tới hạn và áp suất giả tới hạn của dòng khí nguyên liệu
Nhiệt độ giả tới hạn của khí nguyên liệu đợc tính theo công thức :
TPC = ΣYi .TCi (2.3)
Và áp suất giả tới hạn khí nguyên liệu tính theo công thức :
PPC = ΣYi .PCi (2.4) Trong đó : Yi : là phần mol của cấu tử i
TCi : là nhiệt độ tới hạn cấu tử i , K
PCi : là áp suất tới hạn cấu tử i , MPa
Các thông số tới hạn của các cấu tử có mặt trong thành phần của khí nguyên liệu đợc cho ở bảng 3
Bảng 3 Các thông số tới hạn của dòng khí nguyên liệu.
Từ các số liệu tìm đợc ở bảng 3 thay vào các công thức (2.3) và (2.4) ta tính
đợc nhiệt độ giả tới hạn và áp suất giả tới hạn của dòng khí nguyên liệu Kết quả
nh sau :
- Nhiệt độ giả tới hạn của dòng khí nguyên liệu là :
TPC = ΣYi .TCi = 236,7 oK
- áp suất giả tới hạn của dòng khí nguyên liệu là :
PPC = ΣYi .PCi = 4,57 MPa
Sau khi tìm đợc nhiệt độ giả tới hạn và áp suất giả tới hạn của dòng khí nguyên liệu ta tiến hành tính nhiệt độ giả rút gọn và áp suất giả rút gọn của dòng khí nguyên liệu Ta có :
Cấu tử C1 C2 C3 n-C4 n-C5 n-C6 CO2 H2S N2
Yi 0,755 0,052 0,048 0,045 0,035 0,025 0,022 0,008 0,01
TCi 190,55 305,43 369,82 425,16 469,65 507,35 304,2 373,6 126,26
PCi 4,61 4,88 4,25 3,80 3,37 3,01 7,38 9,01 3,40
Trang 8Nhiệt độ giả rút gọn của dòng khí nguyên liệu là :
TPR=
PC
T
T
=
7 , 236
273
58 +
= 1,398
áp suất giả rút gọn của dòng khí nguyên liệu là :
PPR =
PC
P
P
=
57 , 4
2 , 7
= 1,575 Sau khi đã tìm đợc nhiệt độ giả rút gọn và áp suất giả rút gọn, từ biểu đồ hình 3.2 ta xác định đợc hệ số nén thể tích Z
Ta có : Z = 0,81
Lu lợng của dòng khí nguyên liệu quy đổi về điều kiện tiêu chuẩn sẽ đợc tính theo công thức sau :
V0 =
Z T P
V T P
.
0
0 (2.5) Trong đó : P = 7,2 MPa
To = 15 oC = 288 oK
V = 3.106 Nm3/ ngày = 0,125.106 Nm3/ h
Po = 100 kPa = 0,1 MPa
T = 58 oC = 331 oK
Z = 0,81
Thay các giá trị vào phơng trình (2.5) ta tính đợc :
V0 = P P.T.T..V Z
0
0
=
81 , 0 331 1 , 0
10 125 , 0 288 2 ,
= 9,667.106 Nm3/ h
Vậy, lu lợng của dòng TEG nghèo tính theo công thức (2.2) là :
L1 = V0.( wvào- wra) L
L1 = 9,667.( 2434,6 – 105,6 ).28 = 630404,404 kg/ h
Nồng độ của dung môi TEG giàu ra khỏi đáy tháp hấp thụ đợc tính theo công thức (2.6)
α 2=
0 1
1 1
).
(
.
V w w L
L
ra vao − +
α
(2.6) Chọn α 1= 99,3% ( α min= 99,1%)
Trang 9Thay các giá trị đã tính toán đợc ở trên vào phơng trình (2.6) ta tính đợc nồng độ của dòng TEG giàu ra khỏi đáy tháp hấp thụ nh sau :
2
α =
0 1
1 1
).
(
.
V w w L
L
ra vao − +
α
2
α =
667 , 9 ).
6 , 105 6 , 2434 ( 404 , 630404
993 , 0 404 , 630404
−
Vậy nồng độ TEG giàu ra khỏi đáy tháp hấp thụ là 96 %
Lu lợng dòng dung môi TEG giàu đợc tính theo công thức (2.7)
L2 = L1+( wvào- wra).V0 (2.7) Thay các số liệu vào phơng trình (2.7) ta xác định đợc lu lợng của dòng dung môi TEG giàu là :
L2 = L1+( wvào- wra).V0
L2 = 630404,404 + ( 2434,6 – 105,6 ).9,667
L2 = 652918,847 kg/ h
2.6 Tính hằng số cân bằng lỏng hơi K.–
Hằng số cân bằng lỏng – hơi K đợc xác định theo công thức (1.3)
) 1 (
44 , 748
] 18 ).
1 [(
1 0
1 0
1
α
α
α
−
+
−
=
M
M w
K ra (2.8) Trong đó : Mo = 150 ( khối lợng phân tử của TEG )
wra = 105,6 kg/ 106 m3 = 0,1056 g/ m3 khí ở đktc
Thay các số liệu vào phơng trình trên ta tính đợc hằng số cân bằng lỏng – hơi nh sau :
) 1 (
44 , 748
] 18 ).
1 [(
1 0
1 0
1
α
α
α
−
+
−
=
M
M w
K ra
) 993 , 0 1 (
150 44 , 748
] 993 , 0 18 150 ).
993 , 0 1 [(
1056 , 0
−
+
−
=
2.7 Xác định yếu tố hấp thụ A.
Yếu tố hấp thụ ( hệ số hấp thụ ) A đợc tính theo công thức (1.2)
Trang 10' '
.V K
L
A= (2.9)
Trong đó : L’ là lu lợng của dung môi tái sinh (dung môi nghèo) tính ra
kmol/ h
V’ là lợng khí cần làm khô tính ra kmol/ h
K là hằng số cân bằng lỏng – hơi
Lu lợng kmol/h của dòng dung môi TEG nghèo là :
18
).
1
0
1 1
M
L
L = α + − α
18
404 , 630404 ).
993 , 0 1 ( 150
993 , 0 404 , 630404
L
43 , 4418 ' =
Lu lợng kmol/h của dòng khí nguyên liệu là : theo kinh nghiệm thì 106 m3
khí tiêu chuẩn bằng khoảng 41740 kmol, nên lu lợng tính ra kmol/ h của dòng khí nguyên liệu là :
6 0 ' 10
41740
V
V =
58 , 403500 ' =
Vậy yếu tố hấp thụ A trong tháp tính theo công thức (2.9) là :
58 , 403500
00254 , 0
43 , 4418
=
A
311 , 4
=
A
Hệ số tách ẩm thực tế đợc tính theo công thức :
vao
ra vao thuc
w
w
w −
=
ϕ (2.10)
6 , 2434
6 , 105 6 ,
2434 −
=
thuc
ϕ
957 , 0
=
thuc
ϕ
2.9 Tính hệ số tách ẩm lý thuyết.
Hệ số tách ẩm lý thuyết đợc xác định theo công thức (2.11)