2.1. Khái niệm chung
Khí đồng hành và khí thiên nhiên sau khi khai thác thường bão hòa hơi nước và hàm lượng nước phụ thuộc vào áp suất nhiệt độ thành phần hóa học của khí.
Hàm lượng ẩm (độ ẩm): là khối lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích hoặc một đơn vị khối lượng (g/m3 hoặc g/kg không khí).
Nếu áp suất không đổi, khi nhiệt độ tăng thì hàm lượng ẩm cân bằng tăng, khi nhiệt độ không khí giảm có chứa hàm lượng ẩm bão hòa cực đại thì một phần hơi nước sẽ ngưng tụ.
Hàm lượng ẩm cân bằng là hàm lượng nước cực đại mà khí có thể chứa ở nhiệt độ và áp suất xác định.
Cách xác định hàm lượng ẩm cân bằng
Đối với khí ngọt có tỷ trọng γg = 0,6 để xác định hàm lượng ẩm cân bằng của khí tự nhiên thông thường ta sử dụng đồ thị hình IV.1
Đối với khí có γg≠0,6 ta cần xác định hệ số hiệu chỉnh tỷ trọng CRD (Relative Density).
Xác định CRD phải có:
Mgas hoặc δgas
T (0F)
Hàm lượng ẩm cân bằng có γ ≠ 0,6: W’ = CRD.W0.6
W0.6 : Hàm lượng cân bằng với γ = 0,6
Đối với khí có chứa muối hòa tan: ta cần xác định hệ số điều chỉnh theo hàm lượng muối CS
W’ = CS.CRD.W0.6
Đối với khí chua (có mặt CO2 và H2S): làm tăng hàm lượng ẩm cân bằng khi đó xác định theo hình IV.1 là không chính xác.
W = y.WHC + y1.W1 + y2.W2
Trong đó :
W : hàm lượng ẩm của hỗn hợp không khí W1: hàm lượng ẩm của CO2 tra hình IV.2
W2: hàm lượng ẩm cân bằng của H2S tra hình IV.3
WHC: hàm lượng ẩm cân bằng của hydrocacbon tra hình IV.1 phụ thuộc vào muối và tỉ trọng
y2: % mol H2S
y = 1 - y1 - y2 : % mol hydrocacbon
2.2. Ảnh hưởng của nước – hydrat 2.2.1. Ảnh hưởng của nước 2.2.1. Ảnh hưởng của nước
Tạo hydrat (các tinh thể rắn) dễ đóng cục, chiếm các khoảng trống trong đường ống phá vỡ điều kiện làm việc bình thường.
Là tiền đề thúc đẩy ăn mòn kim loại khi có mặt H2S, CO2 làm giảm tuổi thọ và thời gian sử dụng thiết bị.
2.2.2. Ảnh hưởng của hydrat
Hydrat là những tập hợp chất có thể tồn tại một cách bền dưới dạng tinh thể, thực chất chúng là những dung dịch rắn giống nước đá khô.
Cấu tạo: gồm khung là các phân tử nước liên kết bằng liên kết với nhau bằng liên kết hydrô, các phân tử khí chiếm các khoảng trống trong các khoang của khung này, các phân tử khí có khả năng tạo hidrat như CH4, C2H6, C3H8, H2S, CO2, N2,….sẽ chiếm chỗ.
Điều kiện hình thành hydrat phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, thành phần và nhiều yếu tố khác.
Xác định điều kiện hình thành hydrat hình IV.4. Tỷ khối khí γg và P (hoặc T) ta tìm được T (hoặc P) Để hạn chế sự hình thành hydrat.
- Tách nước tự do (sấy khô khí)
- Nếu không tách nước phải dùng chất ức chế (Metanol) hạ nhiệt độ tạo thành
hydrat
2.3. Phương pháp sử dụng chất ức chế, ngăn ngừa sự tạo thành hydrat.2.3.1. Mục đích 2.3.1. Mục đích
Sử dụng chất ức chế làm giảm áp suất hơi nước và làm giảm nhiệt độ tạo thành hydrat.
Chất ức chế thường sử dụng Metanol và Glycol
Phương pháp sử dụng chất ức chế được sử dụng trước khi vận chuyển khí.
2.3.2. Xác định nhiệt độ tạo thành hydrat
ω 100 ω M K 0,556 Δt − × × = Trong đó: 2 1 T T
Δt= − : độ hạ nhiệt độ tạo thành hydrat ở áp suất đã cho (0C)
ω: % khối lượng của chất ức chế M: Khối lượng phân tử chất ức chế K: Hằng số
Đối với metanol K = 2335 Đối với glycol K = 4000
Ví dụ: Tính ∆t sử dụng Metanol 5% C 2,14 5 100 5 32 2335 0,556 Δt = 0 − × × = Tính Δt sử dụng etylen glycol 5% C 1,88 5 100 5 62 4000 0,556 Δt = 0 − × × =
Metanol có áp suất hơi bão hòa cao do đó khó thu hồi từ dòng khí, khó hoàn nguyên và dẫn đến mất mát nhiều. Vì vậy metanol ứng dụng chủ yếu trong hệ dòng - ống khoan, ống nhánh và hệ thống ống dẫn khí chính, nhằm phá hủy các nút hydrat. Người ta sử dụng zeolit NaA để thu hồi metanol.
Chất ức chế được sử dụng rộng rãi là glycol (etylen glycol, dietylen glycol...), mặc dù giá thành của nó cao hơn metanol. Chúng có áp suất hơi bão hòa thấp hơn và vì vậy có thể hoàn nguyên hoàn toàn bằng cách loại nước nhờ các quá trình vật lý đơn thuần như đun sôi chúng ra khỏi dung dịch nước - glycol.
2.3.3. Sơ đồ công nghệ của quá trình làm khô khí sử dụng chất ức chế metanol
IV V (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (12) (13) (15) (14) (11) (10) (9) (8) II III IV
Hình 2.6. Sơ đồ công nghệ làm khô khí bằng metanol
1, 2, 3: thiết bị phân ly; 4, 5, 6, 7: thiết bị hấp phụ; 8, 9, 10, 11: lò nung khí tái sinh; 12, 13: thiết bị lọc bụi; 14: thiết bị trao đổi nhiệt; 15: thiết bị phân ly khí tái sinh.
I: khí ẩm; II: khí sấy khô; III: khí khô tuần hoàn; IV: khí khô; V: dung dịch mêtanol trong nước.
Trên hình 4.6 trình bày sơ đồ công nghệ cụm làm khô khí trong đó dùng metanol làm chất ức chế. Khí cùng metanol đi vào thiết bị phân riêng 1, 2, 3, ở đó dung dịch nước - metanol tách ra và đi vào bể chứa để thu hồi metanol từ dung dịch nước. Từ thiết bị phân riêng 1, 2, 3 khí được chia vào hai thiết bị hấp phụ làm việc song song 4 và 5 (hoặc 6 và 7) và đi qua lớp hấp phụ từ trên xuống dưới, trong quá trình đó hơi
nước và metanol được tách ra. Đồng thời một phần khí nguyên liệu ra khỏi thiết bị phân riêng 1, 2, 3 đi vào lò nung 8 và 9 (hoặc 8, 9, 10 và 11), được nung nóng tới nhiệt độ 3000C đi vào phần dưới của hai tháp hấp phụ khác 6 và 7 đang trong giai đoạn hoàn nguyên zeolit. Khí được làm khô và sạch hơi metanol từ dưới tháp hấp phụ, đi qua thiết bị tách bụi và trao đổi nhiệt 14 và đi vào ống dẫn chính.
Khí hoàn nguyên nóng với hàm lượng ẩm cao và metanol đi ra từ đỉnh tháp hấp phụ và sau thiết bị lọc bụi 13 được làm lạnh trong trao đổi nhiệt 14, tại đó hơi nước và metanol ngưng tụ. Hỗn hợp hai pha tạo thành tại đây đi vào thiết bị tách 15, trong đó metanol tách ra khỏi khí. Từ thiết bị tách 15 metanol ngậm nước được đưa vào bể chứa (cùng với sản phẩm tương tự đi từ thiết bị tách 1, 2, 3) sau đó đưa đi hoàn nguyên metanol, còn khí sau tháp hoàn nguyên trộn với khí nguyên liệu và đi vào tháp hấp phụ tương ứng (4 và 5) để làm sạch. Sau khi hoàn nguyên zeolit tháp hấp phụ chuyển sang giai đoạn làm lạnh bằng dòng khí khô (sau đó khí khô đi vào ống dẫn khí chính).
Các thông số:
Nhiệt độ dòng khí ẩm I: 150C Nhiệt độ dòng khí tái sinh: 300C Thời gian tái sinh:7 - 12h
Thời gian hấp phụ: 7 - 12h
Sau khi hấp phụ hàm lượng nước trong khí giảm từ 0,2 - 0,7 g/m3 xuống còn 0,003 - 0,004 g/m3.
Nhiệt độ dòng khí khô là 45 - 620C.
2.3.4. Sơ đồ công nghệ sử dụng chất ức chế glycol
Trên hình 2.7 trình bày sơ đồ công nghệ tách nước và hydrocarbon nặng từ khí, sử dụng chất ức chế là glycol. Nguyên liệu đi vào tháp tách 1, ở đó các giọt nước tách ra khỏi khí, sau đó khí được trộn với glycol và làm lạnh trong trao đổi nhiệt 2 đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ hidrat hóa. Từ trao đổi nhiệt 2 hỗn hợp khí, glycol ngậm nước và condensat được dẫn vào tháp tách 3, từ đỉnh tháp tách khí khô đi ra, từ phía dưới có 2 dòng - glycol ngậm nước và condensate. Phần dưới tháp 3 có trao đổi nhiệt dạng ống ruột gà cho hơi nước đi qua. Thiết bị này giữ nhiệt độ sản phẩm đáy của tháp tách cao hơn nhiệt độ tạo thành nhũ tương bền vững "glycol - hydrocarbon". Do vậy tạo điều kiện tách glycol ngậm nước ra khỏi condensat. Condensate hydrocarbon ra khỏi tháp tách 3 dùng làm nguyên liệu để sản xuất các sản phẩm tương ứng, còn glycol ngậm nước được đưa vào tháp hoàn nguyên 4, tại đó nước được bay hơi, sau đó glycol được làm khan đến độ ẩm xác định và lại được phun vào dòng khí nguyên liệu trước khi vào trao đổi nhiệt 2.
Nhiệt độ tạo nhủ tương: etylenglycol (EG) với nước là 00C, dietylen glycol (DEG) với nước là 15 - 200C.
Chú ý:
- Việc lựa chọn glycol (EG, DEG hoặc TEG) phụ thuộc vào nhiệt độ đông đặc, độ
nhớt, độ hạ nhiệt độ tạo thành hydrat và khả năng hòa tan của glycol trong hydrocacbon ngưng tụ nhiệt độ phân ly và thành phần khí.
- Áp suất trong tháp 3 phải thích hợp sao cho C3, C4 ngưng tụ được mà nước và Glycol không bị đông đặc.
- Nồng độ glycol được sử dụng thường thì 60 - 80% khối lượng.
- Ở Liên Bang Nga thường sử dụng etylenglycol (EG) vì nó ít tan trong khí ngưng tụ (0,25 - 0,27 lit EG/ 1000 lit khi ngưng tụ).
(2) (1) I VIII VI (5) (4) IV VII III (3) II V
Hình 2.7: Sơ đồ công nghệ quá trình làm khô khí bằng chất ức chế glycol 1,3: tháp tách; 2: thiết bị trao đổi nhiệt; 4: tháp hoàn nguyên; 5: máy bơm
I: khí nguyên liệu; II: khí khô; III: hydrocacbon ngưng tụ; IV: glycol bão hòa; V: hơi nước; VI: glycol hoàn nguyên; VII: chất tải nhiệt.
Thiết bị 1 2 3 4 5 6
Năng suất dây chuyền (kg/h) 123300 102600 145000 155000 126000 127000 Khối lượng glycol sử dụng (kg/h) 5000 3600 4700 6200 4000 4300 Lượng glycol tiêu hao (g/kg) 40 35 32 40 32 34 Nồng độ glycol (%)