CÔNG NGHỆ XỬ LÝ DẦU KHÍ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỔ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT VÀ DẦU KHÍ BỘ MƠN KHOAN VÀ KHAI THÁC DẦU KHÍ -o0o - CÔNG NGHỆ XỬ LÝ DẦU KHÍ GVHD: Ths Hồng Trọng Quang SVTH: Nguyễn Đăng Khánh-1711711 Bạch Thiện Hoài Nhân-1712419 Nguyễn Tuấn Tài-1713025 Hoàng Nghĩa Trường-1713740 Mục lục Contents Mục lục I Khái niệm chung II Mục đích , nhiệm vụ xử lý khí .3 III Làm khô khí phương pháp hấp thụ IV Làm khơ khí Glycol V Tính tốn, thiết kế Contactor 12 VI Làm khí amin 15 VI.1 Dung môi MEA 15 VI.2 Dung môi DGA 15 VI.3 Dung môi DEA 16 VI.4 Dung môi MDEA 16 Tài Liệu Tham Khảo 18 I Khái niệm chung Làm khô khí q trình tách nước khỏi khí gas để tránh hiên tượng có nước tự xuất hệ thống tạo cho khí có nhiệt độ điểm sương theo nước thấp so với nhiệt độ cực tiểu mà khí vận chuyển hay chế biến Q trình khử nước tiến hành nhiều phương pháp tiêu biểu là: phương pháp hấp thụ phương pháp hấp phụ II Mục đích , nhiệm vụ xử lý khí Mục đích việc loại bỏ nước khí tự nhiên để làm giảm hư hại ống ăn mòn tránh tắc nghẽn đường ống việc tạo thành hydrat Trong vài trường hợp, trình làm khơ khí nhằm mục đích đáp ứng thơng số kỹ thuật quy định sẵn cho trình sau xử lý thu hồi sản phẩm lẫn nước Làm cho khí thích hợp với quá trình vâ ̣n chuyển và sẵn sàng đưa vào sử dụng Xử lý khí cũng được yêu cầu để thu hồi những thành phần có giá trị từ khí Loại bỏ thành phần có hại việc vận chuyển , sản xuất phận tiêu thụ khí : - Hơi nước (ăn mịn, hydrat) - Sunfua hydro - H2S (đơ ̣c hại, ăn mòn) - Dioxit cacbon - CO2 (ăn mòn) - Thủy ngân - Hg (ăn mòn) - Các hydro nă ̣ng (gây dòng chảy hai pha ớng vâ ̣n chủn) III Làm khơ khí phương pháp hấp thụ PHƯƠNG PHÁP Hỗn hợp khí cho tiếp xúc với dung dịch nhằm mục đích chọn lựa hay nhiều phần tử hỗn hợp khí để tạo nên dung dịch phần tử chất lỏng Quá trình hấp thụ Là trình chuyển đổi từ pha khí sang pha lỏng Q trình hấp thụ tuân theo định luật:  Raoult: Pi=Pi* x Xi  Dalton: Pi= Ptotal x Yi Với : Pi: áp suất riêng phần cấu tử i Pi*: áp suất cấu tử i nguyên chất Ptotal: áp suất tổng dịng khí Xi: phần trăm cấu tử i pha lỏng Diễn hiệu T thấp Ptotal cao Yêu cầu dung mơi:  Có lực với nước mạnh, với HC thấp  Có độ bay thấp nhiệt độ hấp thụ  Có độ nhớt thấp  Có độ bền nhiệt tốt Khả gây ăn mòn thấp  Triethylene glycol (TEG) dung môi phổ biến Dịng khí ẩm vào đáy tháp Absorber, đồng thời dòng glycol vào đỉnh tháp hai dịng chảy ngược chiều làm tăng q trình truyền khối Sau đó, khí khơ khỏi tháp đỉnh dòng glycol ẩm dẫn qua thiết bị giảm áp tách hydrocarbon bị lẫn vào glycol dòng glycol ẩm vào thiết bị giải hấp thụ, dựa tác động nhiệt độ nước glycol bay ta thu dòng glycol nồng độ cao ban đầu, dòng glycol dẫn trở lại tháp Absorber để trình khử nước diễn cách liên tục Đối với số vùng phân đoạn thành phần no điều kiện pha, áp suất phù hợp, biến bản, để thiết kế việc kiểm soát nhiệt độ đáy đầu vùng tiếp xúc lỏng Trong chất hấp phụ biến lưu lượng hấp thụ, thành phần hấp thụ, khối lượng tiếp xúc vùng hấp thụ Có ba cách làm lớn diện tích tiếp xúc phần lỏng đơn vị thể tích tháp:  Điểm sơi khí qua lỏng  Bơm chất lỏng dạng giọt sương vào dịng khí  Dịng chất lỏng dạng dẻo bề mặt diện tích lớn Các hình thể học khác phát triển để thiết lập yếu tố IV Làm khơ khí Glycol Giới thiệu - Làm khơ khí q trình loại bỏ nước khỏi khí để khơng có nước tự hệ thống Q trình ức chế q trình thêm số hóa chất vào nước tự để hydrate khơng thể hình thành - Khí tự nhiên làm khơ theo ba cách: • • • Hấp thụ: Làm khơ khí Glycol Hấp phụ: Mol Sieve, Silica Gel, or Activated Alumina Ngưng tụ: Refrigeration with Glycol or Methanol Injection Quá trình làm khơ khí glycol Q trình làm khơ khí glycol (hấp thụ) q trình làm khơ phổ biến sử dụng để đáp ứng thông số kỹ thuật đường ống yêu cầu mỏ (Gas lift, nhiên liệu, v.v.) - Bốn glycol sử dụng để làm khơ/ức chế: • Monoethylene glycol (MEG) - thường gọi ethylene glycol (EG) • Diethylene glycol (DEG) • Triethylene glycol (TEG) • - - - - Tetraethylene glycol (TREG) Khí ướt vào, chất lỏng tự vào đáy thiết bị hấp thụ (absorber) chảy ngược dòng tới glycol Khí ướt vào tháp tách nước (contactor)(C-101), glycol phun từ đỉnh tháp xuống tiếp xúc với dịng khí ngược chiều giúp cho glycol hấp thụ nước khí khí khơ Sau đó, glycol giàu khỏi contactor lượt gia nhiệt Bộ gia nhiệt glycol giàu (Still reflux condenser)(E-104), trao đổi nhiệt glycol giàu (glycol Exchanger)(E-103,E-102) cuối gia nhiệt bình gia nhiệt glycol (glycol reboiler)(V-102) Trước vào E-102 glycol giàu qua bình tách nhanh V-101 bình lọc F-101 để loại bỏ bụi bẩn Glycol giàu vào bình gia nhiệt (V-102) sau hệ thống buồng đốt (B-101) gia nhiệt lên đến 200 độ C., t độ này, nước khí gas bay dẫn qua trình làm lạnh, ngưng tụ E-105 sau chứa bình chứa nước tách V-104 Glycol lỏng V-102 chảy qua cột tách phân đoạn Stripping Column(C-103) để đảm bảo độ tinh khiết cho glycol 99% Lúc Glycol khỏi C-103 glycol nhiệt độ cao nên di qua trao đổi nhiệt E-102 E-103 để làm nguội sau bồn chứa glycol V-103 tháp tách nước cho glycol nghèo (Lean glycol) Trong tháp tách nước (contactor) glycol sạch chỉ tiếp xúc với khí gas tại mâm cùng còn ở các mâm dưới nồng đô ̣ glycol đã giảm hấp thụ nước tháp tiếp xúc điểm sương thực tế của khí làm khô sẽ cao từ 8oC đến 12oC so với điểm sương cân Ví dụ What equilibrium water dewpoint could be obtained at 40°C [104°F) with a lean glycol solution containing 99.5 wt% TEG Dựa vào hình ta tìm Equilibrium Dewpoint -20°C Ví dụ The gas sales contract specifies an outlet water content of 100 kg/10^6 std m3 [6 lbm/MMscf] at a pressure of 69 bar [1000 psia] The inlet gas temperature is 40°C What minimum lean TEG concentration is required? Ta có 69 bar = 6.9 MPa Dị bảng 18C.1(a) Apendix 18C ta có 100kg/ 106 stb m3 6.9 MPa ta điểm sương thực tế nước -2 độ C Nhiệt độ điểm sương cân -10 độ C nhiệt độ điểm sương thực tế cao nhiệt độ điểm sương cân khoảng độ C Inlet gas temperature: 40 độ C Equilibrium Dewpoint: -10 độ C Tra bảng ta Lean TEG concentration: 99% Bảng 18C.1(a) (Apendix 18C) Tháp tách nước (contactor) nơi nước loại bỏ khỏi khí trình hấp thụ Lượng nước loại bỏ phụ thuộc vào ba yếu tố:  Nồng độ glycol  Lưu lượng tuần hoàn glycol  Số lượng tầng tiếp xúc tháp tách nước Ảnh hưởng nồng độ glycol lên loại bỏ nước thể rõ hình (H1) Cho thấy nồng độ TEG tăng nhiệt độ điểm sương cân nước giảm Mối quan hệ khử nước lưu lượng tuần hoàn TEG với nồng độ TEG 99% Win: Lượng nước khí gas vào Contactor Wout: Lượng nước khí gas contactor N: số lượng tầng lý thuyết tháp tách nước Tính tốn lưu lượng tuần hồn TEG (Circulation rate) - Tính x0: 100−X gl 18 x 0= 100−X gl X gl + 18 150 x0: mol of H2O Xgl: Nồng độ TEG Hoặc tìm thơng qua hình Hình 18.8 Tìm y qua H.18.7 Tìm W0: W0=W*y*x0 W: lượng nước đầu vào Tìm K K=(W*y)/B 10 K: Hệ số cân nước B: hệ số chuyển đổi (761000) Tìm Ea: Ea: Hiệu suất hấp thụ Từ H18.6 tìm A  L0 = A.K.V Tìm Mw lean glycol Mw=18*x0+150*(1-x0) Lượng khí ra: L0*Mw  Circulation rate TEG = Density TEG * Lượng khí - Tính lượng nước hấp thụ 1h = (Win-Wout)/24  Tỷ lệ tuần hoàn TEG = Circulation rate TEG/lượng nước hấp thụ 1h Ví dụ 3: Calculate the circulation rate of 98.7 wt% lean TEG needed to dry 10^6 std m3/d [35.4 MMscfd) of gas at 7.0 MPa (1000 psia) and 40°C (104°F) in a six tray absorber (1.5 theor stages) to achieve an exit gas water content of 117 kg/10^6 std m3 11 (17 lbm/MMscf) The inlet water content is 1100 kg/10^6 std m3 (saturated gas) [68.5 lbm/MMscf] Tìm x0: 100−X gl 100−98.7 18 18 x 0= = =0.099 100−X gl X gl 100−98.7 98.7 + + 18 150 18 150 Tìm y = 0.66 W0 = W*y*x0 = 1100*0.66*0.099 = 71.9 kg/10^6 stb m3 Từ hình 18.6: Tìm Ea = 0.956 Với N=1.5, Ea=0.956  A=7.3 Tìm K = (W*y)/K=0.000954 V=1762 kmol/h  L0=A*K*V=12.3 kmol/h Tính Mw Lean glycol Mw = x0*18+150(1-x0) = 137 kg/kmol Lượng khí thoát ra: L0*Mw=1685 kg TEG/h Density TEG = 1.12 kg/liter Circulation rate TEG = Lượng khí ra/Density TEG=1504 liter/h Lượng nước hấp thụ 1h = (Win-Wout)/24 = (1100-117)/24 = 41 kg H20 Tỷ lệ tuần hoàn TEG = 1504/41 = 36.7 liter TEG/kg H2O V Tính tốn, thiết kế Contactor Thiết kế tháp tách nước dựa hai thơng số: Tốc độ khí xác định đường kính tháp tách nước (Contactor) Số lượng tầng tiếp xúc (contacts), xác định chiều cao contactor 12 - Vâ ̣n tốc cho phép của khí gas qua contactor: ρL −ρ g v=K s ρg [ ] 0,5 Trong đó: Ks = 0,055 m/s nếu contactor dùng bublecaps = 0,09→0,105 m/s contactor dùng structured packing ρL: Khới lượng riêng pha lỏng với ̣ TEG-H2O = 1120 kg/m3 ρg: Khới lượng riêng pha khí ở điều kiê ̣n contactor kg/m3 Riêng đối với contactor dùng structured packing thì có thể dùng: v = 3/(ρg)0.5 Tính tốn đường kính tới thiểu của contactor là: d= √ qa πv Trong đó: d: đường kính contactor (m) qa: lưu lượng khí thực tế (m3/s) - Tính tốn lưu lượng khí thực tế (qa) theo cách: Cách 1: q a= m ρg m: Lưu lượng khối (Mass flowrate), kg/s Cách 2: q std ∗P std 86400 ∗T a Pa q a= ∗z T std Trong đó: 13 q std : Lưu lượng thể tích dịng khí tiêu chuẩn, std m3/d; Pstd : Áp suất tiêu chuẩn, kPa; Pa: Áp suất dòng chảy thực tế, kPa; T a: Nhiệt độ dòng chảy thực tế, độ K; T std : Nhiệt độ tiêu chuẩn, độ K; z: Hệ số nén khí Ví dụ 4: A glycol contactor is to be designed to handle x 10^6 std m3 (35.4 MMscfd) of gas at 40°C [313 °K] and 70 bar [7000 kPa] [1015 psia) The gas compressibility factor is 0.85 and the MW - 19.0 Size the contactor for both bubblecaps and structured packing Tính khối lượng riêng khí ρ g= P∗MW 7000∗19 = =60 kg/m Z∗R∗T 0.85∗8.314∗313 Tính tốn vận tốc cho phép khí gas qua Contactor: ρ −ρ Bubblecaps, v=K s L g ρg [ ] 0,5 1120−60 =0.055∗ 60 [ 0.5 ] =0.23 m/ s Tính tốn lưu lượng khí thực tế, q a q std 106 ∗P std ∗101 86400 86400 ∗T a ∗313 Pa 7000 q a= ∗z= ∗0.85=0.154 m3 /s T std 288 Tính tốn đường kính Contactor, d d= qa 4∗0.154 = =0.92 m πv 03.14∗0.23 √ √ Vận tốc cho phép khí gas qua Contactor cho Structured packing: v= Fs √ρg = =0.39m/ s √60 Tính tốn đường kính Contactor cho Structured packing: 14 d= qa 4∗0.154 = =0.71 m πv 03.14∗0.39 √ √ VI Làm khí amin Các quy trình làm :  Quy trình MEA  Quy trình DEA  Quy trình Econoamin  Quy trình ADIP VI.1 Dung mơi MEA MEA ( monoethanolamine ) có cơng thức hóa học NH CH CH OH MEA thường sử dụng có nồng độ từ 10-20% MEA thường sử dụng để loại bỏ sâu CO loại bỏ CO H S Quá trình hấp thụ MEA đạt khoảng 0.35 mol khí chua/ mol MEA [1] Hình : Sơ đồ ngun lý cơng nghệ hấp thụ MEA [2] Thấp hấp thụ 2,3,4 Thiết bị phân ly 5,6 Thiết bị làm nguội khơng khí 7,8 Thiết bị làm lạnh nước Thiết bị trao đổi nhiệt 10 Tháp nhả hấp thụ 11 Bộ phận đun nóng 15 I Khí ngun liệu II Khí ( khí ) III Dung mơi bão hịa IV Khí phân ly V Dung mơi nhả hấp thụ phần VI Khí acid VI.2 Dung mơi DGA DGA ( diglycolamine ) có cơng thức hóa học NH2CH2CH2OCH2CH2OH Dung mơi DGA thường pha với thành phần 50%-70% nước Đối với dung dịch DGA 65%, lượng khí chua hấp thụ nằm khoảng 0.35-0.4 mol khí chua/mol DGA Tuy nhiên q trình tái sinh khí chua cịn lại dung dịch amine chứa khoảng 0.05-0.1 mol khí chua Xét tồn q trình, lượng khí chua hấp thụ đạt khoảng 0.25-0.35 mol khí chua/mol DGA VI.3 Dung mơi DEA DEA ( diethanolamine ) có cơng thức hóa học NH(CH2CH2OH)2 DEA sử dụng với nồng độ từ 25-35% DEA chấp hấp thụ không chọn lọc, loại bỏ đồng thời H2S CO2 Lượng khí chua hấp thụ DEA khơng vượt q 0.7 mol khí chua/mol DEA Sau q trình giải hấp, lượng khí chua cịn lại DEA khoảng 0.4 mol Vì tồn q trình hấp thụ DEA thu khoảng 0.3 mol khí chua/mol DEA [1] VI.4 Dung mơi MDEA MDEA ( methyldiethanolamine ) dung mơi amine bậc có cơng thức hóa học CH3N(CH2CH2OH)2 Nồng độ MDEA sử dụng khoảng 35-50% Thông thường MDEA chọn để loại bỏ H2S xuống 4ppm Các trình muốn loại bỏ sâu H2S CO2 cần sử dụng tác nhân hoạt hóa dung mơi đặc biệt từ nhà cung cấp quyền [1] Khối lượng phân tử Khối lượng riêng ( kg/m3 ) Nhiệt độ sôi ( oC ) áp suất 110 Pa 660 Pa 1320 Pa Áp suất MEA 61 DEA 105,1 DIPA 133,2 DGA 105,1 1018 1090 989 1055 171 100 69 48 187 150 1,33 248,7 167 133 1,33 221 1,33 16 bão hòa ( Pa ) 20oC Nhiệt độ đông 10,5 28 42 9,5 o đặc ( C ) Độ nhớt tuyệt 0,241 0,38 0,198 0,026 o o o đối ( Pa.s ) ( 20 C) ( 30 C ) ( 45 C ) ( 24oC ) Độ hịa tan Hồn tồn 96,4 87 Hoàn toàn nước ( % KL ) 20oC Nhiệt độ hóa 1486,4 1205,9 722,5 917,4 ( J/kg ) Bảng : Tính chất hóa lý MEA, DEA, DPIA, DGA Tài Liệu Tham Khảo [1] W R P D G M J Kidnay, Fundamental of natural gas processing [2] J W S Mateusz Korpyś, Method for sweeting natural and shale gas 17 ... nước Làm cho khí thích hợp với quá trình vâ ̣n chuyển và sẵn sàng đưa vào sử dụng Xử lý khí cũng được yêu cầu để thu hồi những thành phần có giá trị từ khí Loại bỏ... glycol sạch chỉ tiếp xúc với khí gas tại mâm cùng còn ở các mâm dưới nồng đô ̣ glycol đã giảm hấp thụ nước tháp tiếp xúc điểm sương thực tế của khí làm khô sẽ cao từ 8oC... Số lượng tầng tiếp xúc (contacts), xác định chiều cao contactor 12 - Vâ ̣n tốc cho phép của khí gas qua contactor: ρL −ρ g v=K s ρg [ ] 0,5 Trong đó: Ks = 0,055 m/s nếu contactor dùng bublecaps