Nước là tạp chất phổ biến nhất lẫn trong các hydrocarbon Nước lẫn trong khí thiên nhiên trong quá trình khoan, khai thác, và quá trình làm ngọt khí (tách loại các khí chua H2S, CO2) vv… Nước gây ra các vấn đề sau: Tạo thành hyđrát gây tắc nghẽn van, đầu vòi, … trong quá trình vận chuyển Gây ăn mòn đường ống, các thiết bị Gây ra các phản ứng phụ hoặc làm mất hoạt tính xúc tác trong các quá trình chế biến tiếp theo
Chương 3: Làm khơ khí Chương 3: Làm khơ khí 3.1 Giới thiệu chung Nước tạp chất phổ biến lẫn hydrocarbon Nước lẫn khí thiên nhiên trình khoan, khai thác, trình làm khí (tách loại khí chua H 2S, CO2) vv… Nước gây vấn đề sau: Tạo thành hyđrát gây tắc nghẽn van, đầu vòi, … q trình vận chuyển Gây ăn mòn đường ống, thiết bị Gây phản ứng phụ làm hoạt tính xúc tác trình chế biến Chương 3: Làm khơ khí • Hàm lượng nước khí tùy thuộc vào áp suất, nhiệt độ, thành phần hóa học khí • Độ ẩm bão hòa độ ẩm ứng với trạng thái bão hòa nước khí • Độ ẩm tuyệt đối khối lượng nước chứa đơn vị thể tích đơn vị khối lượng khí • Độ ẩm tương đối tỷ lệ khối lượng nước chứa khí khối lượng nước cực đại chứa thể tích khí xác định điều kiện bão hòa Chương 3: Làm khơ khí ϕ= p / P với: ϕ: độ ẩm tương đối p: áp suất riêng phần nước khí P: áp suất nước bão hòa Chương 3: Làm khơ khí • Độ ẩm cân khí thiên nhiên phụ thuộc vào thành phần khí hàm lượng muối: Tăng tỷ trọng khí hàm lượng muối, hàm lượng nước khí giảm Khi có H2S, CO2 độ ẩm khí tăng Khi có N2 độ ẩm khí giảm Chương 3: Làm khơ khí • Hydrat hợp chất dạng tinh thể tồn trạng thái bền vững điều kiện xác định • Điều kiện tạo hydrat: Nhiệt độ, áp suất khí Thành phần khí: C1, C2, C3, i-C4, N2, H2S, CO2, Ar tạo hydrat, n-C4 khơng tạo hydrat Nhiệt độ bắt đầu tạo hydrat C1 giảm khí có chứa C3+ Nồng độ muối: tăng nồng độ muối, nhiệt độ bắt đầu tạo hydrat giảm Chương 3: Làm khơ khí 3.2 Làm khơ khí phương pháp ức chế • Làm khơ khí nhằm lấy nước khỏi khí hạ điểm sương xuống thấp nhiệt độ vận chuyển chế biến • Hàm lượng nước tối đa cho phép dòng khí sản phẩm thơng thường 100 mg H2O/ Sm3 khí • Các phương pháp làm khơ khí: Dùng chất ức chế để hạn chế tạo hydrat Hấp thụ nước chất lỏng háo nước Hấp phụ ẩm chất làm khô rắn họat hóa Ngưng tụ ẩm nhờ nén làm lạnh khí Chương 3: Làm khơ khí Hàm lượng nước khí thiên nhiên cần phải tính tốn, dự đốn để qua xây dựng phương án làm khơ khí tối ưu Hàm lượng nước bão hồ khí phụ thuộc vào P, T, thành phần khí (tỷ trọng tương đối : SGg = Mg / Mkk = Mg / 28.97) Khí chua (có chứa H2S CO2) có hàm lượng nước cao Cần phải hiệu chỉnh hàm lượng nước nồng độ H2S và/hoặc CO2 dòng khí lớn 5% Chương 3: Làm khơ khí Phương pháp tính tốn, dự đoán Xác định từ đồ thị: Giản đồ McKetta Wehe (1958): khí Giản đồ Campbell: khí chua Giản đồ Robinson: khí chua Đơn vị: [mg/Sm3]; [lb/MMscf] Sm3 : mét khối chuẩn; đo điều kiện chuẩn ISO 2533 101.35 kPa; 15oC MMscf : triệu feet khối chuẩn, đo 14.7 psi (101.35kPa); 60 oF (15.56 oC) lb = 0.454 kg Chương 3: Làm khơ khí Hàm lượng nước khí Giản đồ McKetta Wehe ? 01 A 01 Xác định hàm lượng nước bão hồ cho dòng khí hydrocacbon có SGg 0.9; nhiệt độ 70 oC áp suất 6000 kPa - Từ Hình 1: W = 4500 mg/Sm3 - Hệ số hiệu chỉnh cho SGg 0.9: CG = 0.98 ->Hàm lượng nước: W = 0.98 x 4500 = 4410 mg/Sm3 10 Chương 3: Làm khơ khí Chỉ số Hình dạng Kích thước, mm Lỗ xốp nội, % Tỷ trọng nén, kg/m3 Đường kính trung bình lỗ xốp, nm Bề mặt hấp phụ họat động, m2/g Nhiệt dung, kJ/kg 0C Độ dẫn nhiệt, kJ/kg 0C Nhiệt hấp phụ cực đại, kJ/kg nước Al2O3 Silica gel Zeolite Trụ, viên, cầu, bột 0,6-6,0 25-40 480-850 6,0-20,0 100-300 1,005-1,047 795-1172 4787 Cầu, bột 2,4-4,0 30-40 400-770 3,5-14,0 200-900 0,921 795 4187 Trụ, cầu, bột 1,6-3,2 30-35 480-800 0,3-1,0 500-800 0,837 4187 47 Chương 3: Làm khơ khí Đặc điểm phương pháp hấp phụ - Hiệu trình hấp thụ TEG - Có thể làm khơ đến thấp 0.1 ppm H2O - Hiệu kinh tế môi trường tốt - Thường sử dụng với trình hấp thụ TEG: + Tháp hấp thụ TEG làm khô đến khoảng 60 ppm + Tháp hấp phụ tiếp tục làm khô đến 0.1 ~ ppm 48 Chương 3: Làm khơ khí • Q trình hấp phụ tỏa nhiệt nhiệt độ chất hấp phụ tăng lên q trình hấp phụ • Trong sơ đồ hấp phụ chu kỳ, có từ 2-3 tháp làm nhiệm vụ: hấp phụ, giải hấp, làm lạnh chất hấp phụ • Nhiệt độ hòan ngun chất hấp phụ: 176-2040C (Al2O3, silica gel); 316-3700C (zeolite) • Nhiệt độ hòan ngun có ảnh hưởng đến khả hấp phụ lượng giảm nhiệt độ điểm sương chất hấp phụ • Thời gian làm việc chất hấp phụ: 2-5 năm 49 Chương 3: Làm khơ khí • Lựa chọn chất hấp phụ: Silica gel: làm khô đến điểm sương -53 -570C Đất sét: làm khô đến điểm sương -550C Al2O3: làm khô đến điểm sương -610C Zeolite NaA: làm khô đến điểm sương -70 -750C 50 Chương 3: Làm khơ khí u cầu đặc tính chất hấp phụ - Khả hấp phụ cao trạng thái cân + giảm thể tích chất hấp phụ cần thiết, giảm chi phí lượng q trình giải hấp - Độ chọn lựa cao + giảm mát khí - Dễ giải hấp + Nhiệt độ giải hấp thấp, giảm chi phí lượng - Độ giảm áp nhỏ - Tính chất học tốt - Rẻ, trơ mặt hố học, khối lượng riêng lớn khơng thay đổi thể tích nhiều q trình hấp phụ - Diện tích bề mặt, kích thước mao quản 51 Chương 3: Làm khơ khí Silica gel - Rẻ - Dễ giải hấp - Khả hấp phụ cao: hấp phụ lượng nước 45% khối lượng - Thời gian sử dụng lâu - Hấp phụ đến 5-10 ppm nước 52 Chương 3: Làm khơ khí Alumina - Có tính chất học tốt - Hấp phụ khí chua (H2S, CO2) - Dễ giải hấp - Hấp phụ đến 10-20 ppm nước 53 Chương 3: Làm khơ khí Rây phân tử (Zeolite) - Hấp phụ đến 0.1 ppm nước - Có cấu trúc mao quản kích thước điều khiển - Có khả hấp phụ khí chua - Đắt chất hấp phụ - Nhiệt độ giải hấp cao - Chi phí cho q trình hấp phụ với zeolite cao 54 Chương 3: Làm khô khí • Để đạt điểm sương khí thấp lượng giảm điểm sương cao: Làm khô hỗn hợp giai đọan: giai đọan dùng phương pháp hấp thụ, giai đọan dùng phương pháp hấp phụ Làm khô hấp phụ tổng hợp: bước hấp phụ silica gel Al2O3, bước hấp phụ zeolite Phương pháp cho phép lọai vết nước khỏi dòng khí khí có điểm sương thấp 55 Chương 3: Làm khơ khí Ưu, nhược điểm phương pháp làm khô hấp phụ Ưu điểm Nhược điểm Khỏang biến thiên thông số Đầu tư lớn công nghệ rộng Chi phí vận hành cao Cho phép nhận điểm Khơng có q trình làm sương thấp độ giảm điểm việc liên tục công sương cao đọan hấp phụ, giải hấp, làm Đơn giản, độ tin cậy cao nguội Hiệu hấp phụ giảm dần bị đầu độc chất ức chế ăn mòn hợp chất hóa học khác dẫn đến phải thay 56 Chương 3: Làm khơ khí Một số điểm cần lưu ý họat động thiết bị khử nước chất hấp phụ rây phân tử: Sự thay đổi áp suất lớp chất hấp phụ không nên vượt 50 psi/ph (6 kPa/s) Đường kính lớp hấp phụ khơng nên q lớn Khi khả hấp phụ giảm độ giảm áp suất tăng mạnh, chất hấp phụ nên thay Thông thường, chất hấp phụ rây phân tử 35% họat tính sau thời gian họat động 1-3 năm; 50% họat tính sau 1600 lần tái sinh 57 Chương 3: Làm khơ khí Thơng thường, chất hấp phụ rây phân tử 4A có khả hấp phụ 20 lb nước/100 lb hạt hạt mới, 13 lb nước/100 lb hạt hạt sử dụng điều kiện 75 oF (24oC) 58 Chương 3: Làm khơ khí 59 Chương 3: Làm khơ khí Bảng chuyển đổi đơn vị F = 0C x 1.8 + 32 R (Rankine Temperature) = oF + 460 psi = 0.068 bar = 6.8 kPa lb = 0.454 kg ft = 0.305 m inch = 0.0254 m MMscfd ~ milion standard cubic feet per day 60 Chương 3: Làm khơ khí Bảng điều kiện chuẩn Hệ SI Universal scientific Nat gas industry American engineering T 273.15K 0oC P 101.325 kPa 760 mm Hg 60 F o 14.7 psi 32oF atm V 22.415 m3/kmol 22.415 L/mol 379.4 ft3/lb mol 359.05 ft3/lb mol 61 ... kPa Đọc T tương ứng (~450C) c) Từ giản đồ, tìm điểm nối đường p suất đầu 15000kPa nhiệt độ 400C, đọc p suất sau (~ 8000 kPa) 14 Chương 3: Làm khơ khí Phương ph p Katz Chính xác phương ph p. .. 4500 mg/Sm3 11 (6900 kPa); 12000 mg/Sm3 (2100 kPa) -> 6000 kPa: Chương 3: Làm khơ khí Xác định điều kiện P, T tạo thành hydrat: Sử dụng SG Phương ph p Katz Phương ph p Baile Xác định điều... 3: Làm khơ khí ϕ= p / P với: ϕ: độ ẩm tương đối p: p suất riêng phần nước khí P: p suất nước bão hòa Chương 3: Làm khơ khí • Độ ẩm cân khí thiên nhiên phụ thuộc vào thành phần khí hàm lượng