Tài liệu Lựa chọn sơ đồ công nghệ chế biến khí nhằm thu hồi C3+

Lêi më ®Çu HiÖn nay, ngµnh c«ng nghiÖp ®îc ®¸nh gi¸ lµ ngµnh mòi nhän trong chiÕn lîc ph¸t triÓn kinh tÕ cña níc ta lµ ngµnh dÇu khÝ. Nhng thùc tÕ th× ngµnh c«ng nghiÖp nµy ®ang ph¶i ®èi mÆt víi rÊt nhiÒu khã kh¨n vµ thö th¸ch. C¶ níc míi chØ cã nhµ m¸y läc dÇu Dung QuÊt, nhng theo dùa kiÕn ®Õn n¨m 2009 th× nhµ m¸y läc dÇu nµy míi ®i vµo ho¹t ®éng vµ kÕ tiÕp ®ã tæ hîp läc-ho¸ dÇu ë Nghi S¬n - Thanh Ho¸ vµ nhµ m¸y läc dÇu ë Long S¬n - Bµ RÞa Vòng Tµu còng dù kiÕn ®i vµo x©y dùng. Cßn hiÖn t¹i th× nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ vÉn ®ãng mét vai trß kh¸ lín trong nÒn kinh tÕ cña níc ta. HiÖn nay, trong níc míi chØ cã nhµ m¸y chÕ biÕn khÝ Dinh Cè lµ ®i vµo ho¹t ®éng vµ hµng n¨m còng cung cÊp ®îc mét phÇn LPG cho ®Êt níc gi¶m t×nh tr¹ng nhËp khÈu LPG. H¬n n÷a, nhµ m¸y cßn gãp phÇn gi¶i quyÕt c«ng ¨n viÖc lµm cho mét lîng lín ngêi lao ®éng t¨ng GDP cho ®Êt níc. Cßn l¹i mét lîng lín khÝ ë ngoµi giµn ®îc ®a vµo bê nh nhµ m¸y khÝ Nam C«n S¬n, khÝ ®iÖn - ®¹m Cµ Mau míi chØ dõng l¹i ë viÖc thu håi khÝ cung cÊp cho c¸c nhµ m¸y ®iÖn vµ Condensate. Theo kÕ ho¹ch s¾p tíi nhµ m¸y Nam C«n S¬n sÏ t¨ng lu lîng khÝ vµo bê. NÕu cø ®Ó t×nh tr¹ng trªn th× sÏ l·ng phÝ mét lîng lín LPG vµo trong khÝ kh« vµ Condensate. MÆt kh¸c, xÐt vÒ mÆt gi¸ trÞ sö dông th× LPG ®em l¹i lîi Ých kinh tÕ h¬n so víi Condensate. LPG ®îc dïng trong d©n dông, vµ trong rÊt nhiÒu lÜnh vùc c«ng nghiÖp kh¸c. §Æc biÖt, ®Ó gi¶i quyÕt vÊn ®Ò n¨ng lîng ngêi ta ®· vµ ®ang tiÕn hµnh ®a khÝ ho¸ láng vµo ch¹y c¸c ®éng c¬ nh : xe m¸y, « t«. ViÖc sö dông LPG thay x¨ng ch¹y c¸c ®éng c¬ trªn sÏ ®em l¹i rÊt nhiÒu lîi Ých. So víi x¨ng th× viÖc dïng LPG ®Ó ch¹y c¸c ®éng c¬ sÏ kinh tÕ h¬n, kh¶ n¨ng « nhiÔm còng gi¶m. §øng tríc nhu cÇu thiÕt thùc trªn, t«i ®· quyÕt ®Þnh chän ®Ò tµi: “Lùa chän s¬ ®å c«ng nghÖ chÕ biÕn khÝ Nam C«n S¬n nh»m thu håi C 3+“ lµm ®å ¸n tèt nghiÖp. Môc ®Ých c¬ b¶n cña ®Ò tµi lµ:  Lùa chän c«ng nghÖ chÕ biÕn khÝ nh»m thu håi c¸c s¶n phÈm mong muèn víi gi¸ trÞ cao nhÊt.  §Ò xuÊt ®Çy ®ñ d©y chuyÒn c«ng nghÖ vµ t×m ra c¸c th«ng sè c«ng nghÖ tèi u nh»m thu håi s¶m phÈm mong muèn víi gi¸ trÞ cao nhÊt. Ch¬ng 1 Tæng quan vÒ khÝ 1.1. Kh¸i niÖm,vµ thµnh phÇn cña khÝ. 1.1.1. Kh¸i niÖm. KhÝ tù nhiªn lµ tËp hîp nh÷ng hydrocacbon khÝ CH 4, C2H6, C3H8 ... cã trong lßng ®Êt. Chóng thêng tån t¹i thµnh nh÷ng má khÝ riªng rÏ hay tån t¹i trªn c¸c líp dÇu má. KhÝ tù nhiªn còng lu«n chøa c¸c khÝ v« c¬ nh N2, H2S, CO2 , khÝ tr¬, h¬i níc... 1.1.2. Thµnh phÇn cña khÝ tù nhiªn Thµnh phÇn ho¸ häc cña khÝ tù nhiªn kh¸ ®¬n gi¶n, bao gåm: hîp chÊt hydrocacbon, hîp chÊt phi hydrocacbon. - C¸c hîp chÊt hydrocacbon. Hµm lîng c¸c cÊu tö chñ yÕu lµ khÝ CH4 vµ ®ång ®¼ng cña nã nh: C2H6, C3H8, n-C4H10, i-C4H10, ngoµi ra cßn cã mét Ýt hµm lîng c¸c hîp chÊt C5+. Hµm lîng cña c¸c cÊu tö trªn thay ®æi theo nguån gèc cña khÝ. §èi víi khÝ thiªn nhiªn th× cÊu tö chñ yÕu lµ C 1 cßn c¸c cÊu tö nÆng h¬n nh C3, C4 lµ rÊt Ýt vµ thµnh phÇn cña khÝ trong mét má ë bÊt kú vÞ trÝ nµo ®Òu lµ nh nhau, nã kh«ng phô thuéc vÞ trÝ khai th¸c. §èi víi khÝ ®ång hµnh th× hµm lîng c¸c cÊu tö C3, C4 cao h¬n vµ thµnh phÇn cña khÝ phô thuéc vÞ trÝ khai th¸c vµ thêi gian khai th¸c. - C¸c hîp chÊt phi hydrocacbon. Ngoµi c¸c thµnh phÇn chÝnh lµ hydrocacbon, trong khÝ dÇu má cßn chøa c¸c hîp chÊt kh¸c nh : CO2, N2, H2S, H2O, CS2, RSH, He, Ar, Ne ... Trong ®ã cÊu tö thêng chiÕm nhiÒu nhÊt lµ N2. §Æc biÖt, cã nh÷ng má khÝ chøa hµm lîng He kh¸ cao. - H¬i níc b·o hoµ: KhÝ tù nhiªn lu«n chøa h¬i níc b·o hoµ, vµ hµm lîng h¬i níc trong khÝ khai th¸c ®îc phô thuéc vµo sù thay ®æi nhiÖt ®é, ¸p suÊt, thµnh phÇn ho¸ häc cña khÝ trong suèt qu¸ tr×nh khai th¸c. Lîng h¬i níc cùc ®¹i trong khÝ ë 200C, 1atm lµ 20g/m3. 1.2. Ph©n lo¹i khÝ dÇu má Cã nhiÒu c¸ch ph©n lo¹i khÝ, mçi ph¬ng ph¸p ®îc ®a ra ®Òu dùa trªn nh÷ng tiªu chÝ kh¸c nhau. 1.2.1. Ph©n lo¹i theo nguån gèc h×nh thµnh. Theo nguån gèc h×nh thµnh khÝ ®îc ph©n thµnh ba lo¹i: - KhÝ tù nhiªn: lµ khÝ khai th¸c tõ c¸c má khÝ, mµ thµnh phÇn chñ yÕu lµ metan (80-95% cã má lªn ®Õn 99%), cßn l¹i lµ c¸c khÝ kh¸c nh ªtan, propan, butan... - KhÝ ®ång hµnh: lµ khÝ khai th¸c tõ má dÇu. ¥ ¸p suÊt lín khÝ tan trong dÇu nªn khi khai th¸c lªn mÆt ®Êt do sù thay ®æi ¸p suÊt khÝ bÞ t¸ch ra. Thµnh phÇn chñ yÕu vÉn lµ metan nhng hµm lîng c¸c cÊu tö nÆng h¬n (C2+) t¨ng lªn ®¸ng kÓ. - KhÝ ngng tô: Thùc chÊt lµ d¹ng trung gian gi÷a dÇu vµ khÝ, bao gåm c¸c Hydrocacbon nh : Propan, butan ... 1.2.2. Ph©n lo¹i theo hµm lîng khÝ axÝt. Theo hµm lîng khÝ axit th× khÝ ®îc phÇn thµnh hai??????????: - KhÝ chua: lµ khÝ cã hµm lîng H2S  5,7 mg/m3 khÝ ë ®ktc hoÆc vµ hµm lîng CO2  2% thÓ tÝch. - KhÝ ngät: lµ khÝ cã hµm lîng H2S vµ CO2 nhá h¬n quy ®Þnh trªn. 1.2.3. Ph©n lo¹i theo hµm lîng C3+. Theo c¸ch ph©n lo¹i nµy th× cã hai lo¹i khÝ: KhÝ bÐo vµ khÝ gÇy - KhÝ bÐo: lµ khÝ cã hµm lîng C3+ lín h¬n 50g/cm3, cã thÓ s¶n xuÊt ra khÝ tù nhiªn ho¸ láng LNG (Liquefied Natural Gas), khÝ dÇu má ho¸ láng LPG vµ s¶n xuÊt mét sè Hydrocacbon riªng biÖt cho c«ng nghÖ tæng hîp h÷u c¬ ho¸ dÇu. - KhÝ gÇy: lµ khÝ cã hµm lîng C3+ nhá h¬n 50g/cm3, dïng lµm nhiªn liÖu cho cho c«ng nghiÖp vµ sëi Êm. 1.2.4. Ph©n lo¹i theo cÊp ®é chÕ biÕn. Theo c¸ch ph©n lo¹i nµy ta cã hai lo¹i: khÝ kh« vµ khÝ Èm: - KhÝ kh«: lµ khÝ cha qua chÕ biÕn. - KhÝ th¬ng phÈm: lµ s¶n phÈm khÝ thu ®îc tõ thiªn nhiªn hay khÝ ®ång hµnh sau khi ®îc xö lý t¸ch lo¹i níc vµ c¸c t¹p chÊt c¬ häc, t¸ch khÝ ho¸ láng (LPG) vµ khÝ ngng tô (Condensate) t¹i nhµ m¸y xö lý khÝ. Thµnh phÇn khÝ kh« th¬ng phÈm bao gåm chñ yÕu lµ metan, etan, ngoµi ra cßn cã propan, butan ... vµ mét sè t¹p chÊt kh¸c nh nit¬, cacbondioxit, hydrosulphur víi hµm lîng cho phÐp. 1.3. TÝnh chÊt ho¸ - lý cña hydrocacbon 1.3.1. Ph¬ng tr×nh chuyÓn pha Clapeyron - Clausius Trong qu¸ tr×nh chÕ biÕn khÝ viÖc chuyÓn pha lµ rÊt quan träng bëi v× sù thay ®æi thÓ tÝch khi chuyÓn tõ pha khÝ sang pha láng lµ rÊt lín. Ph¬ng tr×nh clapeyron - Clausius cho thÊy mèi quan hÖ gi÷a nhiÖt ®é chuyÓn pha vµ ¸p suÊt: V dT V   V = = =   dP S  Trong ®ã:  : NhiÖt chuyÓn pha. V : BiÕn thiªn thÓ tÝch trong qu¸ tr×nh chuyÓn pha. S : BiÕn thiªn entropy trong qu¸ tr×nh chuyÓn pha. 1.3.2. Tr¹ng th¸i vËt lý cña hydrocacbon - KhÝ hydrocacbon kh«ng mµu, kh«ng mïi, kh«ng vÞ. V× vËy ®Ó kiÓm tra ®é rß rØ cña khÝ ngêi ta thªm vµo chÊt t¹o mïi, tuú theo yªu cÇu møc ®é an toµn. ChÊt t¹o mïi thêng sö dông trong c¸c quy tr×nh kiÓm tra ®é rß rØ cña khÝ lµ Mercaptan. - TÝnh tan cña chóng kh«ng gièng nhau, kh«ng trén lÉn víi níc vµ dÔ dµng hoµ tan trong c¸c dung m«i h÷u c¬. - §iÓm s«i cña c¸c hydrocacbon no m¹ch th¼ng t¨ng dÇn theo sè nguyªn tö cacbon trong m¹ch. 1.3.3. Giíi h¹n ch¸y næ + Giíi h¹n ch¸y næ díi cña mét chÊt: Lµ nång ®é tÝnh ra phÇn tr¨m thÓ tÝch hoÆc phÇn tr¨m mol trong kh«ng khÝ hoÆc trong oxi nguyªn chÊt cã gi¸ trÞ cùc tiÓu cã thÓ ch¸y ®îc khi gÆp ngän löa. + Giíi h¹n ch¸y næ díi cña mét chÊt: lµ nång ®é tÝnh ra phÇn tr¨m thÓ tÝch (phÇn tr¨m mol) trong kh«ng khÝ hoÆc trong oxi nguyªn chÊt cã gi¸ trÞ cùc ®¹i cã thÓ ch¸y ®îc khi gÆp ngän löa. + Vïng ch¸y næ: lµ vïng hçn hîp khÝ cã thµnh phÇn vÒ phÇn tr¨m thÓ tÝch (%V) hoÆc phÇn tr¨m mol n»m trong miÒn giíi h¹n ch¸y næ díi vµ giíi h¹n ch¸y næ trªn. + Vïng an toµn: lµ vïng hçn hîp khÝ cã thµnh phÇn vÒ phÇn tr¨m thÓ tÝch (%V) hoÆc phÇn tr¨m mol n»m ngoµi vïng ch¸y næ. 1.3.4. NhiÖt trÞ (nhiÖt ch¸y hay n¨ng suÊt to¶ nhiÖt) NhiÖt trÞ cña mét chÊt lµ lîng nhiÖt to¶ ra khi ®èt ch¸y mét lîng chÊt Êy ®Ó t¹o ra c¸c oxit cao nhÊt hoÆc c¸c chÊt bÒn. + NhiÖt trÞ trªn (nhiÖt trÞ cao): Lµ nhiÖt trÞ cña ph¶n øng ch¸y khi níc sinh ra tån t¹i ë thÓ láng. + NhiÖt trÞ díi (nhiÖt trÞ thÊp): Lµ nhiÖt trÞ cña ph¶n øng khi níc sinh ra tån t¹i ë thÓ h¬i. 1.3.5. C¸c ®¹i lîng tíi h¹n: - NhiÖt ®é tíi h¹n (Tc): nhiÖt ®é tíi h¹n cña mét chÊt lµ nhiÖt ®é mµ ë nhiÖt ®é cao h¬n chÊt khÝ kh«ng biÕn thµnh chÊt láng ë bÊt kú ¸p suÊt nµo. NhiÖt ®é tíi h¹n ®îc x¸c ®Þnh b»ng thùc nghiÖm th«ng qua c«ng thøc: Tc = 391,7(n  1)  190,7 2,645  (n  1) 0,785 Trong ®ã: n: Lµ sè nguyªn tö cacbon. - ¸p suÊt tíi h¹n (Pc): ¸p suÊt tíi h¹n cña mét chÊt lµ ¸p suÊt mµ ë ¸p suÊt cao h¬n chÊt khÝ kh«ng biÕn thµnh chÊt láng ë bÊt kú nhiÖt ®é nµo. ¸p suÊt tíi h¹n còng ®îc x¸c ®Þnh b»ng thùc nghiÖm vµ ®îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: Pc = 49,51 7,977  n1, 2 - ThÓ tÝch tíi h¹n (Vc): ThÓ tÝch tíi h¹n ®îc x¸c ®Þnh b»ng thùc nghiÖm th«ng qua c«ng thøc cã thÓ sai lÖch 4 cm3/mol: Vc = 58,0 n + 22 1.3.6. §é Èm vµ ®iÓm s¬ng cña khÝ hydrocacbon - §é Èm cña khÝ lµ lîng níc chøa trong khÝ Cã hai kh¸i niÖm ®îc ®a ra ®Ó ®¸nh gi¸ ®é Èm trong khÝ lµ ®é Èm t¬ng ®èi vµ ®é Èm tuyÖt ®èi. + §é Èm tuyÖt ®èi (hµm Èm) lµ lîng h¬i níc cã trong khÝ ë ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt x¸c ®Þnh ®îc t×nh b»ng kg H2O/m3 khÝ hoÆc g H2O/lÝt khÝ. + §é Èm t¬ng ®èi lµ tû sè gi÷a ®é Èm tuyÖt ®èi vµ ®é Èm b·o hoµ ë cïng ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt. - §iÓm s¬ng: Cã hai ph¬ng ph¸p tÝnh ®iÓm s¬ng cña khÝ: + §iÓm s¬ng theo níc: lµ nhiÖt ®é t¹i ®ã h¬i níc b¾t ®Çu ngng tô t¹o thµnh s¬ng mï ë ¸p suÊt nhÊt ®Þnh. + §iÓm s¬ng theo hydrocacbon: lµ nhiÖt ®é t¹i ®ã hydrocacbon b¾t ®Çu suÊt hiÖn ë thÓ láng ë ¸p suÊt nhÊt ®Þnh. 1.4. C¸c s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh chÕ biÕn khÝ. 1.4.1. KhÝ kh« th¬ng phÈm. KhÝ kh« th¬ng phÈm ®îc b¶o qu¶n vµ vËn chuyÓn trong ®êng èng dÉn khÝ cao ¸p ®Õn 50 bar. KhÝ kh« th¬ng phÈm lµ s¶n phÈm dÔ ch¸y næ nªn cÇn ®îc b¶o qu¶n vµ vËn chuyÓn phï hîp víi TCVN 3254 - 89 vµ TCVN 3255-86. §Æc tÝnh cña khÝ kh« th¬ng phÈm. B¶ng 1.1: Yªu cÇu kü thuËt cÇn ®¹t ®îc cña khÝ kh« th¬ng phÈm. §¬n vÞ tÝnh Møc chÊt lîng C C <5 <5 Ppm  30 Ppm Ppm  24  36 Ph¬ng ph¸p ph©n tÝch ASTM D1142-95 TÝnh theo thµnh phÇn khÝ Ph¬ng ph¸p träng lîng ASTM D2385-81 ASTM D2385-81 MJ/m3 37 - Xem thêm -