Phương pháp này chỉ được sử dụng để tách CO2 phương pháp này được sử dụng khi nồng độ CO2 trong khí nguyên liệu cao. Phương pháp này dựa trên khả năng kết tinh của khí Cacbonic khi ở nhiệt độ thấp (-56,67oC) để tách khí CO2 ra.
SVTH: PHẠM VĂN PHÚ 29
Nhược điểm của phương pháp này có chi phí năng lượng cao dẫn đến giá thành sản phẩm cao. Nhưng được dùng để làm sạch sơ bộ khí CO2 khi hàm lượng CO2 trong khí cao.
3.1.2. Quá trình phân tách khí thành các phân đoạn
Quá trình tách phân đoạn khí gồm 4 phương pháp được sử dụng trong công nghệ chế biến khí:
- Phương pháp làm lạnh ngưng tụ.
- Phương pháp chưng cất ở nhiệt độ thấp. - Phương pháp hấp thụ bằng dầu.
- Phương pháp hấp phụ .
3.1.2.1. Phương pháp làm lạnh ngưng tụ
Nếu bỏ qua các tổn thất áp suất trong quá trình vận chuyển và chế biến thì quá trình ngưng tụ khí có thể coi là quá trình làm lạnh đẳng áp cho tới nhiệt độ tương ứng với áp suất tại đó, sẽ xuất hiện pha lỏng. Khí đồng hành và khí thiên nhiên là hỗn hợp đa cấu tử, do đó quá trình chuyển pha và các vùng tới hạn của chúng khác nhiều so với các quá trình tương ứng của các chất tinh khiết. (Hình 3.6)
Hình 3.10: Giãn đồ pha của hệ đa cấu tử[2]
Trong đó :
Điểm C : Điểm tới hạn, tại đó không phân biệt được pha lỏng hay pha hơi.
SVTH: PHẠM VĂN PHÚ 30
Điểm CCB : Điểm áp suất cực đại mà tại đó hệ vẫn còn tồn tại trạng thái hai pha.
Điểm CCT : Điểm nhiệt độ cực đại mà tại đó hệ vẫn còn tồn tại trạng thái hai pha.
Vùng ngưng tụ ngược là vùng gạch chéo được mô tả trên hình, là một đường nối các tiếp tuyến của các đường bao ở các phần trăm lỏng-hơi khác nhau. Sự ngưng tụ ngược xảy ra trong quá trình nén hay giãn nở đẳng nhiệt hoặc làm lạnh đẳng áp ở các giới hạn xác định. Trong quá trình nén hay giãn nở đẳng nhiệt, sự ngưng tụ ngược chỉ xảy ra khi ta tiến hành quá trình ở khoảng nhiệt độ từ TC÷TCT, ngoài khoảng nhiệt độ này thì quá trình vẫn xảy ra bình thường.
Xét quá trình nén đẳng nhiệt một hỗn hợp khí ở trong giới hạn nhiệt độ từ TC đến TCT. Tại vị trí Q1, thành phần hỗn hợp khí là 100% hơi ở nhiệt độ T1,P1 ta tiến hành nén đẳng nhiệt tới áp suất P2 ứng với trạng thái Q2 thì lỏng bắt đầu xuất hiện, tiếp tục nén đến tới áp suất P3, xuất hiện 10% lỏng và ứng với điểm Q3. Tiếp tục nén hỗn hợp này đến áp suất P4(Q4), thành phần lỏng sẽ lớn hơn 10%, tuy nhiên khi ta đưa hỗn hợp khí này đến giá trị áp suất P5 thì thành phần lỏng sẽ giảm xuống đến giá trị 0%.
Mức độ ngưng tụ các hydrocacbon sẽ tăng khi áp suất tăng ở nhiệt độ không đổi hoặc khi giảm nhiệt độ áp suất không đổi. Tuy nhiên quá trình ngưng tụ của hai trường hợp này sẽ xảy ra khác nhau. Khi tăng áp suất và giữ nguyên nhiệt độ thì mức độ ngưng tụ tăng, nhưng sự phân tách các hydrocacbon sẽ kém đi, trong pha lỏng cùng với cấu tử nặng sẽ có cùng một lượng cấu tử nhẹ hoà tan. Ngược lại khi giảm nhiệt độ và giữ nguyên áp suất thì mức độ ngưng tụ tăng lên cùng với sự phân tách các cấu tử hydrocacbon nặng và nhẹ tốt hơn.
Vì vậy phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp được coi là phương pháp hiệu quả và kinh tế nhất trong công nghệ chế biến khí.
Phương pháp ngưng tụ khí ở nhiệt độ thấp -25 oC ÷ -35 oC, áp suất cao 3,0÷4,0 MPa được coi là phương pháp có hiệu quả kinh tế cao nhất, để chế biến khí thiên nhiên và khí đồng hành.
Về nguyên tắc khí cần tách phải được Dehydrat hóa để tránh hiện tượng tạo thành hydrat trong quá trình làm lạnh. Sau đó, sẽ được đưa vào thiết bị tách áp suất cao, rồi tiếp tục được làm lạnh sơ bộ, bằng cách trao đổi nhiệt với các dòng khí sản phẩm ở thiết bị trao đổi nhiệt, sau đó khí được đưa qua công đoạn làm lạnh. Ở phương pháp này người ta sử dụng 3 chu trình làm lạnh đó là (Hình 3.7):
SVTH: PHẠM VĂN PHÚ 31
Hình 3.11: Chu trình làm lạnh trong công nghệ chế biến khí[2]
- Làm lạnh bằng chu trình làm lạnh ngoài (Đường A-B-C) (Hình 3.8) : Đây là quá trình phức tạp nhưng cho hiệu quả làm lạnh cao. Quá trình này cho phép giảm nhiệt độ của sản phẩm mà không làm thay đổi áp suất và được thực hiện bằng cách hóa hơi một tác nhân làm lạnh ở nhiệt độ tương đối thấp, thường là Propan hoặc một tác nhân Halogen. Áp suất của tác nhân hóa hơi luôn được duy trì lớn hơn áp suất khí quyển nhằm tránh không khí lọt vào thiết bị nhất là các chất dễ cháy.
- Làm lạnh bằng van giãn nở: (Đường A-B-D): Đây là quá trình đơn giản nhất nhưng kém hiệu quả nhất. Nhiệt độ ra của sản phẩm được giả thuyết bằng nhiệt độ của quá trình làm lạnh ngoài TC = TD, tuy nhiên đây là quá trình kém hiệu quả nhất do công giãn nở của quá trình bị phân hủy bởi nhiệt.
- Làm lạnh bằng Turbo-Expander (Đường A-E-F): Đây là quá trình làm lạnh hiệu quả nhất, được sử dụng khi cần tách triệt để C2+ ra khỏi khí. Lưu ý quá trình này được vận hành ở nhiệt độ rất thấp nên cần thiết phải sấy khí bằng rây phân tử, đồng thời phải bố trí bộ phận decacbonat hoá nhằm tránh sự kết tinh của CO2 gây cản trở việc vận hành. Turbin giãn nỡ thường kéo theo máy nén đồng trục nhằm thu hồi công sinh ra do quá trình giãn nỡ.
Tùy theo mức độ làm lạnh mà phần lỏng ngưng tụ được sẽ triệt để hay không triệt để. Sau đó hỗn hợp lỏng sẽ được đưa vào thiết bị tách áp suất thấp.
Phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp là phương pháp đắt tiền, thiết bị làm lạnh phức tạp. Tuy nhiên, do sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản, hiệu quả tách lỏng khá cao
SVTH: PHẠM VĂN PHÚ 32
và triệt để nên những năm gần đây phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ chế biến khí.
Hình 3.12: Nhiệt động học của quá trình làm lạnh khí[2]
3.1.2.2. Phương pháp chưng cất ở nhiệt độ thấp
Chưng cất ở nhiệt độ thấp, thực hiện quá trình tách các cấu tử định trước thì hiệu quả kinh tế hơn phương pháp ngưng tụ ở nhiệt độ thấp và xây dựng thiết bị cũng đơn giản hơn. Nguyên liệu đi vào thiết bị sau khi làm lạnh, không có sự tách sơ bộ mà được đưa thẳng vào chưng cất. Tại đây xảy ra sự phân tách riêng biệt khí nguyên liệu thành khí khô và các phân đoạn hydrocacbon nặng.
Tuỳ thuộc vào sơ đồ nguyên lý của quá trình chưng cất ở nhiệt độ thấp, các thiết bị cơ bản của sơ đồ mà tháp chưng được chia thành tháp chưng bốc hơi và tháp ngưng tụ bốc hơi, tháp phân đoạn...
Trên thực tế, phương pháp này thường được ứng dụng để tách triệt để C2+,C3+ ra khỏi hỗn hợp khí.
3.1.2.3. Phương pháp hấp thụ bằng dầu
Phương pháp hấp thụ khí thiên nhiên và khí đồng hành trên cơ sở của hai quá trình chuyển khối cơ bản: hấp thụ và khử hấp thụ. Bản chất vật lý của quá trình này là sự cân bằng giữa dòng khí và dòng lỏng do sự khuyếch tán từ pha này đến pha khác. Khi trạng thái cân bằng bền động lực của sự khuyếch tán được xác định bằng hiệu suất áp suất riêng phần của cấu tử tách ra trong pha khí và pha lỏng.
Tại các nhà máy chế biến khí, quá trình hấp thụ và khử hấp thụ được thực hiện trong các tháp hấp thụ và tháp khử hấp thụ có cấu tạo kiểu tháp đĩa hoặc tháp đệm. Chất
SVTH: PHẠM VĂN PHÚ 33
hấp thụ được dùng là các phân đoạn từ xăng nặng đến Gasoil hoặc hỗn hợp của chúng. Trước khi vào tháp hấp thụ nhiệt độ phải được làm lạnh đến nhiệt độ vừa phải: từ 10 đến -30 0C.
3.1.2.4. Phương pháp hấp phụ
Hấp phụ chọn lọc cũng là phương pháp tách khí thành các phân đoạn khí khác nhau có hiệu quả cao. Chất hấp phụ thường dùng là than hoạt tính và Silicagel (SiO2.nH2O, với n < 2). Còn đối với Nhôm hoạt tính và zeolit thì ít dùng hoặc không dùng.
Nhôm hoạt tính dùng để tách nước, hấp phụ hydrocacbon nặng thì không hiệu quả do không giải hấp được hydrocacbon nặng trong quá trình tái sinh do nhôm hoạt tính có ái lực mạnh với hydrocacbon nặng, nhưng không có ái lực mạnh với nước.
Than hoạt tính có ái lực rất lớn đối với các hydrocacbon nhưng lại không có ái lực với nước. Ngược lại, Silicagel vừa có tác dụng khử nước, vừa tách tốt các hydrocacbon nặng. Chất hấp phụ Silicagel được tái sinh bằng cách cho một dòng khí nóng nhiệt độ 200-300oC qua tầng hấp phụ. Còn đối với quá trình sử dụng than hoạt tính thì nhiệt độ tái sinh từ 300÷350oC. Đây là phương pháp hiệu quả tách C2+ trong khí tự nhiên.
Tách bằng phương pháp hấp phụ có hiệu quả khi áp suất của dòng khí tương đối cao.
3.2. Công nghệ sản xuất LPG ở NMLD Dung Quất3.2.1. Nguyên liệu cho nhà máy 3.2.1. Nguyên liệu cho nhà máy