Ngưng tụ khí đồng hành và khí tự nhiên bằng phương pháp nhiệt độ thấp

SỞ HểA Lí CỦA QUÁ TRèNH NGƯNG TỤ NHIỆT ĐỘ THẤP

Quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp có thể được coi là quá trình làm lạnh đẳng áp (nếu ta bỏ qua một vài tổn thất áp suất khi khí chuyển động trong ống và thiết bị công nghệ) cho tới nhiệt độ tương ứng và áp suất đó thì xuất hiện pha lỏng. Khí đồng hành và khí tự nhiên là một hỗn hợp bao gồm nhiều cấu từ do đó qúa trình chuyển pha và các vùng tới hạn của chúng khác nhau nhiều so với qúa trình tương ứng với điểm đó là nhiệt độ và áp suất tới hạn. Khi đó dù có thay đổi của bất kì tổ hợp các thông số nào thì cũng không thể đưa chất đó về trạng thái hai pha được vì vậy muốn hóa lỏng khí ta chỉ được phép tiến hành nhiêt độ tới hạn.

Đối với hệ nhiều cấu tử, vị trí của các đường cong trên giàn đồ pha phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp và các đường bao pha tạo thành không phải là một mặt phẳng, mà có chiều dày như hình cái lưỡi với thành phần là biến số phản ánh chiều dày của đường bao pha. + Khi tiếp tục giảm áp suất ra khỏi miền suy biến đi từ D tới E thì lượng lỏng giảm dần cho tới khi đạt điểm sương (E) phía dưới điểm E hệ không tồn tại ở trạng thái lỏng chỉ tồn tại ở trạng thái hơi. Điểm tới hạn C của hỗn hợp khí hydrocacbon luôn luôn ở phía bên trái của điểm M và vị trí mà là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến sự thay đổi hướng của các đường lỏng hơi bên trong đường bao pha. Trên hình 7 là giản đồ của hệ bậc hai metan propan cho thấy ảnh hưởng của thành phần đến hình dáng vị trí của đường bao pha thì đường cong ngoài cùng là các đường áp suất hơi của metan propan bắt đầu từ điểm tới hạn ba đường bao pha còn lại là của ba hỗn hợp có tỷ lệ thành phần metan propan khác nhau được gọi là quỹ tích tới hạn. Như vậy vị trí tới hạn trên mỗi đường bao pha thay đổi theo thành phần của hỗn hợp các hydrocacbon. Ngoài ra các tạp chất như phi hydrocacbon như: H2O, CO2,H2S,N2. cũng có những ảnh hưởng đáng kể đến đường bao pha của hỗn hợp khí trong điều kiện nhiệt độ cao và áp suất thấp. + H2S, CO2 làm giảm điểm áp suất cực đại tồn tại lỏng hơi của hỗn hợp khí. + N2: Làm tăng điểm áp suất cực trị , tồn tại lỏng hơI hỗn hợp khí và giảm khả năng trộn lẫn. Hằng số cân bằng pha. Cân bằng pha của hỗn hợp khí không phải là trạng thái tĩnh mà là cân bằng động , vẫn luôn tồn tại sự chuyển đồng của các phân tử từ pha lỏng sang pha hơi và ngược lại, tốc độ bay và tốc độ ngưng tụ là bằng nhau. Đại lượng đặc trưng cho sự phân bố của các cấu tử giữa các pha ở điều kiện cân bằng là hằng số cân bằng pha K được xác định bằng phương trình :. Trong đó : yi: là phần mol của cấu tử i trong pha hơi. xi: là phần mol của cấu tử I trong pha lỏng. Xét cân bằng vật liệu của tháp:. G: là phần mol của cấu tử i trong nguyên liệu vào tháp tách. yi: là phần mol cấu tử i trong pha hơi. xi: là phần mol cấu tử i trong pha lỏng. ki: hằng số cân bằng pha lỏng – hơi. V: là tổng số mol hơi. L: là tổng số mol lỏng. Ta có: phương trình cân bằng vật liệu của tháp : F= V+L. Quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp trong chế biến khí đồng hành Trong hỗn hợp khí đồng hành có thành phần các hydrocacbon khác nhau như:CH4, C2H6…Do vậy tương ứng sẽ có các nhiệt độ ngưng tụ khác nhau, do đó quá trình làm lạnh sẽ xảy ra như saucoi lai). Khí hydrocacbon có đăc điểm quan trọng là: chúng hòa tan trong các hydrocacbon lỏng, do đó khi chuyển sang pha lỏng không chỉ có các cấu tử khác có nhiệt độ tới hạn thấp hơn cả nhiệt độ của hỗn hợp tại thời điểm đó.

Trong quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp , quá trình làm lạnh khí chỉ diễn ra tới khi đạt được mức độ ngưng tụ định mức của pha hơi (trong hỗn hợp khí ban đầu) được xác định bằng mức độ tách cần thiết các cấu tử chủ yếu ra khỏi hỗn hợp. Vậy: Việc lựa chọn các thông số tối ưu cho quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp phụ thuộc vào thành phần ban đầu của hỗn hợp khí nguyên liệu, mức độ phân tích cấu tử chính định trước là rất quan trọng.

CÂN BẰNG VẬT CHẤT

1. Tính toán cân bằng vật chất cho các tháp khi chu trình bắt đầu làm việc lần thứ nhất

• Tính cân bằng nhiệt ở thiết bị trao đổi nhiệt (5)

Cambell cho từng cấu tử với trục hoành là trục tung là giá trị các hằng số cân băng. Ci: phần mol cấu tử i trong dòng nguyên liệu V: số mol pha khí nhận được từ F mol nguyên liệu L: số mol pha lỏng nhận được từ F mol nguyên liệu xi: phần mol cấu tử i trong dòng lỏng L. Tuy nhiên hỗn hợp chứa nhiều cấu tử CH4 và C2H6, đó là những cấu tử khó ngưng tụ.

Khí lấy ra ở đỉnh tháp 8 đem trộn lẫn với dòng khí nguyên liệu đI vào tháp 7. Tiếp tục sử dụng phép lặp theo công thức ( ). Kết quả tính toán cho thấy rằng lượng khí và thành phần khí đã ra ở đỉnh tháp 8 trong lần 2 là gần với kết quả trong lần 1. Như vậy công nghệ hoạt động đã tương đối ổn định. Vậy ta thấy lượng lỏng tách ra ở đáy tháp 8 sẽ được đưa sang làm nguyên liệu đầu vào của tháp 9. V.3 Tính cân bằng vật chất cho tháp 9. Nguyên liệu sau khi ra khỏi tháp 9 có sản phẩm đỉnh chưa 2,6%. Giả sử lượng hơibay ra ở đỉnh thiết bị ngưng tụ hoàn toàn nhiệt độ nạp liệu là Ts cần chưng cất để tách nguyên liệu vào tháp 9 thành sản phẩm đỉnh chứa 2,6% propan và 0,6% etan. Gọi: D là lượng sản phẩm đỉnh R là lượng sản phẩm đáy G là lượng nguyên liệu vào. Ta tính được thành phần cấu tử i trongh sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy Ta có phương trình cân bằng khối lượng. là những cấu tử rất nặng). ∑Ki xi (đièu kiện để chất lỏng ngưng tụ hoàn toàn) ậ P=10Mpa kết quả tính toán thu được thể hiện ở bảng 7.

+ Trong số các cấu tử cần chưng, ta chọn hai cấu tử quan trọng nhất đó là hai cáu tử chìa khoá nhẹ LK (light Key) và cấu tử chìa khoá nặng HK (heavy Key).Cấu tử chìa khoá nhẹ là đại diện cho các chất ở sản phẩm đỉnh, có mặt rất ít ở trong phần cặn thực tế nó phảI có giá trị T˚C của các cấu tử tronh sản phẩm đỉnh. Với: Ki;K3 là hằng số cân bằng pha của cấu tử i và C3H8 nhiệt độ trung bình và áp suất trung bình. Vậy ta có cân bằng vật chất cho thiết bị hồi lưu 11 Bảng14: cân bằng vật chất của thiết bị hồi lưu 11.

Sau khi hỗn hợp khí đI qua thiết bị làm mát bằng không khí, thì hỗn hợp khí nguyên liệu được chia thành hai dòng đI vào thiết bị trao đổi nhịêt 4 và thiết bị trao đổi nhiêt 3. Tc: Nhiệt độ dòng khí nguyên liệu sau khi qua thiết bị Trao đổi nhiêt 4.