- Sau thời gian sử dụng chất hấp phụ mất hoạt tính.
CHƯƠNG 3: LÀM SẠCH KHÍ
3.4.2. Sơ đồ quy trình công nghệ quá trình Selexol
Dung môi hấp thụ được sử dụng là dimetyl eter polyetylenglycol (DMEPEG). Dung môi này không độc, bền hóa học trong điều kiện làm việc, không có hoạt tính ăn mòn, dễ phân hủy, có độ lựa chọn cao và làm sạch lựa chọn H2S trong môi trường có CO2 (ở 200C và 0,1 MPa độ hòa tan của H2S cao gấp 10 lần so với CO2).
Quá trình Selexol do Hãng Elline Chemical Cooparation đề xuất vào cuối những năm 1960. Trong những năm 1970 quá trình được áp dụng để làm sạch tinh khí thiên nhiên có nồng độ hydrosunfua và CO2 trung bình và cao (nhờ vào quá trình này có thể làm sạch đến 97% H2S và 85% CO2). Ngoài khí chua DMEPEG còn hòa tan tốt hydrocarbon. Điều này hạn chế lĩnh vực ứng dụng của quá trình - không có giai đoạn loại trước hydrocarbon nặng - chúng chỉ được ứng dụng để làm sạch khí khô.
Khí Selexol (DMEPEG) Khí Selexol (DMEPEG)
H2 N2 CO C1 C2 CO2 C3 iC4 0,047 - 0,10 0,24 1,52 3,63 3,70 6,79 nC4 COS iC5 NH3 nC5 H2S nC6 CH3SH 8,46 8,46 16,2 17,7 20,1 32,4 39,9 82,4 Bảng 3.3. Độ hấp thụ của dung môi Selexol với các hydrocabon
Dung môi DMEPEG có độ lựa chọn cao và làm sạch lựa chọn H2S trong môi
trường có CO2. Đặc tính này có ý nghĩa thực tế cao, có thể ứng dụng quá trình làm sạch hai bước để thu được nguyên liệu tốt cho quá trình sản xuất lưu huỳnh trong bước 1 (khí chua có nồng độ H2S cao) và trong bước 2 nhận được nguyên liệu tốt để sản xuất CO2 thương phẩm. Vì vậy quá trình Selexol là quá trình có hiệu quả cao nếu được ứng dụng để sản xuất đồng thời cả hai sản phẩm. Quá trình Selexol có tính mềm dẻo cao - hàm lượng nguyên tố chua trong khí nguyên liệu có thể thay đổi trong khoảng rộng không ảnh hưởng đến chất lượng quá trình làm sạch. Chi phí chất hấp thụ - khoảng 1m3/1000m3 khí nguyên liệu.
Công thức phân tử CH3(CH2CH2O)nCH3
Khối lượng phân tử : 280 Khối lượng riêng ở 200C (kg/m3) : 1000 Nhiệt độ sôi (0C) : 151 Nhiệt độ nóng chảy (0C) : 22 ÷ 29 Bảng 3.4. Tính chất vật lý của DMEPEG
Chế độ công nghệ của quá trình hấp thụ trong thiết bị Selexol như sau: nhiệt độ đối với từng đối tượng dao động trong khoảng từ -150C đến 100C, áp suất giữ trong khoảng 6,8 ÷ 7 MPa.
Hoàn nguyên chất hấp thụ khi làm sạch thực hiện không cần gia nhiệt mà nhờ giảm từng bước áp suất trong hệ. Chi phí sản xuất và đầu tư ban đầu của quá trình Selexol thấp hơn so với quá trình MEA: chi phí sản xuất giảm 30%, đầu tư giảm 70%. Hệ thống công nghệ quá trình Selexol trình bày trong hình 5.11.
(1) (8) (8) (7) (2) (3) (4) (5) (6) (9) (10) (11) (11) (12) (II) (I) (III) (IV) (V) (VI) 850F 400F 750 F 210 F 750F
1000 psi 345 psi 130 psi 16 psi
Hình 3.11. Sơ đồ quy trình công nghệ Selexol
(1): thiết bị trao đổ nhiệt; (2): tháp hấp thụ; (3): bồn chứa áp suất cao; (4): bình tách áp suất cao; (5): bình tách áp suất trung bình; (6): bình tách áp suất thấp; (7), (8): thiết bị gia nhiệt; (9): bơm; (10), (12): turbin thủy lực; (11): máy nén.
(I): Khí chua; (II): khí làm sạch; (III): dòng DMEPEG bão hòa khí axit; (IV): dòng DMEPEG tái sinh; (V): khí tuần hoàn; (VI): khí axit.
Quá trình selexol với tỉ lệ CO2 và H2S cao
Thực sự quá trình này được thiết kế với năng suất 275 triệu ft3/ ngày. Khí chứa 43% CO2 và một lượng nhỏ H2S (1grain/ 100 ft3 nguyên liệu), (1grain = 0,0648 gram).
Khí chua được tách nước đưa vào thiết bị hấp thụ ở 1000 psi, từ dưới lên tiếp xúc với dung môi sạch từ trên đỉnh tháp xuống. Dung môi vào thiết bị hấp thụ được làm lạnh ở thiết bị trao đổi nhiệt sau khi tách ra khỏi thiết bị tách nhanh. Bởi vì hàm lượng CO2 chứa trong khí nguyên liệu lớn nên, nên dung môi đi vào tháp có hai dòng hoàn lưu. Dung môi sạch nhất đi vào đỉnh tháp và một phần dung môi từ thiết bị stripping được đưa vào giữa của tháp.
Dung môi bão hòa từ đáy tháp hấp thụ được tách ở áp suất trung bình 400 psi, khí đi ra được nén ở áp suất cao và tuần hoàn trở lại tháp hấp thụ.
Dung môi đi ra tiếp tục tách ở thiết bị tách nhanh còn lại bằng cách giảm áp suất đến 200 psi, phần lớn CO2 sẽ được tách ra. Tại quá trình này năng lượng sinh ra được sử dụng làm quay tuabin để tận dụng năng lượng, khí CO2 thoát ra được sử dụng để làm lạnh khí nguyên liệu ban đầu.
Giai đoạn tách thứ ba ở áp suất khí quyển, để tách phần khí axít hòa tan vào dung môi. Dung môi đi ra từ thiết bị này được bơm một phần vào giữa tháp hấp thụ. Phần dung dịch còn lại chứa một lượng H2S cần phải gia nhiệt để tách chúng. Dung môi sạch được bơm tuần hoàn trở lại tháp hấp thụ.
Hình 3.12. Sơ đồ quy trình Selexol với tỷ lệ CO2 và H2S cao
Quá trình Selexol tách H2S với hàm lượng CO2 nhỏ
Sơ đồ (hình 3.13) biểu diễn quá trình hoạt động của hệ thống làm sạch khí với hàm lượng CO2 thấp, nhưng hàm lượng H2S cao. Cacbondioxit trong khí nguyên liệu 3,5% còn H2S khoảng 8grain/ 100ft3 khí, khí ngọt ra khỏi tháp có hàm lượng H2S chỉ còn 0,25 grain/ 100ft3, nếu sử dụng dung môi thích hợp thì hàm lượng CO2 chỉ giảm 3%.
Khí chua đã được loại H2O được đưa vào đáy tháp hấp thụ, dòng khí đi từ dưới lên tiếp xúc với dung môi selexol sạch ở 1000psi, nhiệt độ xấp xỉ với nhiệt độ môi trường xung quanh. Dung môi bão hòa khí axít đi ra từ đáy tháp đi qua ba thiết bị tách nhanh. Khí được giảm áp trong thiết bị tách nhanh áp suất cao từ 1000psi giảm áp suất đến 300psi, khí thoát ra hầu hết là metan, được tuần hoàn trở lại dòng khí nguyên liệu ban đầu. Khí thoát ra từ thiết bị tách ở áp suất trung bình 175psi, được sử dụng làm nhiên liệu. Khí tách ở thiết bị tách áp suất khí quyển là CO2, dòng dung môi được đưa vào cột stripper. Tại đây, người ta dùng không khí lôi cuốn để loại triệt để H2S.
Hình 3.13. Quy trình Selexol tách H2S với hàm lượng CO2 nhỏ
Tách khí axit với nồng độ H2S và CO2 tương đương nhau
Hình 3.14 mô tả quá trình selexol làm ngọt khí trong trường hợp hàm lượng khí H2S và CO2 là tương đương nhau. Khí nguyên liệu chứa 18%CO2 và 8grain H2S/100ft3. Khí ngọt ra khỏi thiết bị hấp thụ với hàm lượng 1,5% CO2 và 0,25 grain/ 100ft3.
Khí ngọt sau khi tách nước đi vào thiết bị hấp thụ, dòng khí đi từ dưới lên tiếp xúc theo nguyên tắc giống như nguyên tắc hoạt động của sơ đồ công nghệ loại khí axít với tỉ lệ H2S : CO2 cao ở trên. Giai đoạn 1 dung môi được tách bằng cách hạ áp suất từ 1000 ÷ 250psi. Khí tách ra từ thiết bị tách với áp suất cao chủ yếu là các hydrocacbon và được tuần hoàn trở lại tháp hấp thụ. Khí thoát ra từ thiết bị tách ở áp suất trung bình 190psi được dùng làm nguyên liệu, còn khí thoát ra từ thiết bị tách áp suất khí quyển là CO2 và H2S. Dung môi từ quá trình tách này được gia nhiệt đưa qua cột stripping, dùng không khí để tách hoàn toàn H2S.
Quá trình selexol xử lí khí chua giàu H2S
Sơ đồ hình 3.15 trình bày quy trình selexol cho quá trình xử lý khí chua giàu H2S (25% H2S). Quy trình hoạt động theo nguyên tắc giống ở trên.
Hình 3.15. Quá trình selexol xử lí khí chua giàu H2S
Sơ đồ công nghệ selexol xử lý chọn lọc H2S
Trong trường hợp hấp thụ chọn lọc H2S và sau đó hấp thụ hoàn toàn CO2 thì công nghệ có hai hệ thống hấp thụ và tái sinh hoạt động độc lập nhưng liên tục trong một qui trình. Sơ đồ được biểu diễn ở hình 5.16. Quy trình công nghệ này được đưa ra bởi Van Deraerschot, Valentine (1976) và được bổ sung năm 1980 bởi Sweny. Các tác giả đã cho rằng: thiết bị khi được thiết kế chuẩn nhất thì việc loại bỏ thành phần lưu huỳnh đến nồng độ rất thấp khoảng vài phần triệu, và cũng có thể hiệu suất này đối với CO2.
Hinh 5.16. Sơ đồ công nghệ selexol xử lý chọn lọc H2S
Sơ đồ của UOP
Đây là một trong những sơ đồ Selexol tiêu biểu của UOP. Quá trình xử lý khí tuần hoàn trong các thiết bị như hình 5.17. Khí axít được đưa vào thiết bị hấp thụ, dung môi sử dụng để hấp thụ là DMEPEG. Dung môi đã được tái sinh đi từ trên xuống và khí chua đi từ dưới lên, trong quá trình này xảy ra sự trao đổi nồng độ các chất, khí sạch đi ra từ trên đỉnh tháp hấp thụ. Khí axít hòa tan vào dung môi đi ra từ đáy tháp hấp thụ qua thiết bị tách nhanh. Hỗn hợp được bị giảm áp suất đột ngột, một phần khí bị tách khỏi hỗn hợp và quay trở lại tháp hấp thụ.
Hỗn hợp còn lại qua thiết bị tái sinh dung môi sau khi gia nhiệt ở thiết bị trao đổi nhiệt. Nhờ hơi nước tái sinh lôi cuốn khí axít ra khỏi dung môi, khí axit được làm lạnh qua thiết bị trao đổi nhiệt. Dung môi bị lôi cuốn được bơm tuần hoàn về tháp tái sinh. Khí axít được tách ra, dung môi ngưng tụ được hoàn lưu trở lại tháp. Dung môi tái sinh đi ra từ đáy tháp tuần hoàn trở lại tháp hấp thụ sau khi đã được làm lạnh. Trong trường hợp khí nguyên liệu có lẫn bụi hoặc các chất không bay hơi, sau khi làm lạnh dung môi phải đưa qua thiết bị lọc để dung môi được sạch hơn.
Trong thực tế, để tận dụng năng lượng sinh ra do quá trình giảm áp suất đột ngột người ta đặt vào đó các máy phát điện bậc một và bậc hai với mục đích cung cấp năng lượng điện tại chỗ cho nhà máy. Quá trình làm việc theo cơ chế giống ở trên, nhưng có điểm khác nhau cơ bản là: hệ thống này có hai tháp tái sinh dung môi, trong mỗi tháp có đặt hệ thống máy phát điện. Để nâng cao hiệu suất, người ta còn đặt thêm một máy nén ở tháp tái sinh lần một. Hiệu suất càng cao khi tháp hấp thụ có hai dòng hồi lưu dung môi. Hệ thống này vừa thu được khí ngọt, khí axit, khí tái sinh làm nguyên liệu, bên cạnh còn đáp ứng nhu cầu về điện năng cho nhà máy. Đây là hệ thống hoàn hảo nhất được áp dụng rộng rãi nhất hiện nay.
Hình 3.18. Sơ đồ công nghệ quá trình Selexol