Tài liệu Bài tập lớn chế biến khí- tính toán tháp làm khô khí bằng deg

Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51 LỜI NÓI ĐẦU Khí là nguồn nguyên nhiên liệu vô cùng quý hiếm, gần như không thể thay thế và tái sinh được, nó đóng vai trò cực kì quan trọng nếu không muốn nói là quyết định trong thời đại văn minh hiện nay và trong vài chục năm nữa khi mà những nguồn năng lượng khác vẫn chưa thể thay thế được. Mọi sự biến động của cán cân cung và cầu của dầu khí đều lập tức ảnh hưởng đến mọi lĩnh vực kinh tế, đến chính sách xã hội, thậm chí có thể dẫn đến xung đột vũ trang. Con người không dùng trực tiếp khí thiên nhiên mà chế biến chúng thành các sản phẩm có tính chất kỹ thuật được chuẩn hóa. Do khí khi khai thaùc leân ngoaøi nhöõng thaønh phaàn chính laø caùc hydrocacbon töø C1-C10 coøn chöùa caùc taïp chaát cô hoïc vaø caùc phi hydrocacbon nhö : CO2, N2, H2S, H2O,...Tröôùc khi ñöa vaøo caùc quaù trình taùch phaân ñoaïn khí thì caàn phaûi ñöa vaøo quaù trình xöû lyù ñeå ñeå loaïi caùc taïp chaát cô hoïc vaø caùc hôïp chaát phi hydrocacbon aûnh höôûng ñeán quaù trình cheá bieán. Quá trình xử lý này cần phải có các thiết bị như tháp hấp thụ, thiết bị trao đổi nhiệt, bình tách… nhưng chúng đều phải được thiết kế sao cho phù hợp với thành phần khí cần xử lý , điều kiện làm việc, dung môi ... Để hiểu rõ vấn đề này chúng ta đi tính toán tháp làm khô khí bằng Dietylen glycol (DEG). Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Danh Nhi đã giúp đỡ em hoàn thành bài tập này. Trong quá trình làm bài do thời gian có hạn nên không tránh khỏi những thiếu xót, sai lầm. Mong thầy có ý kiến chỉnh sửa giúp em. Em xin chân thành cảm ơn ! Vũng Tàu, ngày 03 tháng 04 năm 2010 Sinh vieân thöïc hieän Löu Thò Höôøng Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí -1- Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51 PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ KHÍ 1.1 Thành phần khí Gồm các cấu tử chính là Hydrocacbon no từ C1 đến C12 (mà trong đó chủ yếu là C1 đến C4). Trong khí thường chứa các tạp chất như: H2S, COS, CS2, RSH, khí trơ (He, Ar…), N2, hơi nước… Söï coù maët caùc hôïp chaát cô hoïc trong khí, noù gaây aûnh höôûng xaáu tôùi quaù trình hoaït ñoäng cuûa caùc thieát bò, phöùc taïp trong quaù trình vaän chuyeån, khoâng an toaøn trong söû duïng. Do vaäy, nguyeân lieäu vaøo phaûi ñöôïc taùch caùc hôïp chaát cô hoïc và các hợp chất phi hydrocacbon có hại ra khoûi khí. Nhìn chung quaù trình tách này gồm :  Taùch caùc taïp chaát cô hoïc.  Taùch condensate.  Taùch nöôùc (làm khô khí-khöû nöôùc).  Khöû khí axít (loaïi boû H2S, CO2...).  Taùch N2, vaø He.  Taùch Hg.  Taùch caùc phaân ñoaïn hydrocacbon 1.2 Các phương pháp làm khô khí Mục đích : Trong doøng khí coù chöùa caùc phaân töû nöôùc, khi gaëp ñieàu kieän nhieät ñoä aùp suaát thích hôïp thì noù taïo thaønh caùc tinh theå hydrat, noù gaây bòt kín caùc ñöôøng oáng daãn, gây ăn mòn thiết bị, làm giảm nhiệt trị của khí vaø aûnh höôûng ñeán quaù trình laøm vieäc cuûa thieát bò vaän chuyeån. Quaù trình hình thaønh hydrat xaûy ra khi aùp suaát rieâng phaàn trong hoãn hôïp khí lôùn hôn aùp suaát hôi baõo hoøa cuûa hydrat. Nhö vaäy, ñeå laøm giaûm khaû naêng taïo thaønh hydrat thì phaûi laøm giaûm haøm löôïng nöôùc trong khí, khi ñoù Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí -2- Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51 aùp suaát rieâng phaàn cuûa hôi nöôùc trong khí seõ giaûm xuoáng thaáp hôn aùp suaát cuûa hydrat, neân seõ laøm ngöng quaù trình taïo thaønh hydrat. Quaù trình làm khô khí goàm coù boán phöông phaùp nhö sau:  Phöông phaùp laøm laïnh vôùi söû duïng chaát öùc cheá  Phöông phaùp haáp thuï  Phöông phaùp haáp phuï  Phöông phaùp thaåm thaáu a. Phöông phaùp söû duïng chaát öùc cheá : Veà nguyeân taéc ngöôøi ta bôm caùc chaát öùc cheá vaøo ñeå ngaên caûn quaù trình taïo thaønh hydrat, chaát öùc cheá thöôøng söû duïng glycol hoaëc meâtanol. Glycol thöôøng duøng laø DEG (Dietylen glycol), TEG (tri etylen glycol), EG (etylen glycol) vôùi noàng ñoä khoaûng 60-80% khoái löôïng. Söï löïa choïn glycol phuï thuoäc vaøo nhieàu yeáu toá:  Nhieät ñoä ñoâng ñaëc cuûa dung dòch glycol  Ñoä nhôùt cuûa dung dòch glycol  Ñoä haï nhieät ñoä ñieåm söông ñoái vôùi noàng ñoä glycol ñaõ cho  Thaønh phaàn khí  Khaû naêng hoøa tan cuûa glycol  Glycol duøng phaûi beàn nhieät vaø deã taùi sinh  Hoøa tan ít hoaëc khoâng hoøa tan trong hydrocacbon b. Phöông phaùp haáp thuï : Ñaây laø phöông phaùp söû duïng roäng raõi nhaát trong coâng ngheä cheá bieán khí. Veà nguyeân taéc, phöông phaùp naøy döïa vaøo söï khaùc bieät veà aùp suaát rieâng phaàn cuûa hôi Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí -3- Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51 nöôùc trong khí vaø trong dung moâi haáp thuï, khí tieáp xuùc ngöôïc doøng vôùi dung moâi haáp thuï treân caùc ñóa van hoaëc ñeäm. Chaát haáp thuï thöôøng duøng laø : DEG, TEG, EG. Moãi chaát haáp thuï thì coù nhöõng öu vieät rieâng cuûa töøng loaïi, noùi chung chuùng coù khaû naêng huùt aåm toát, khaù beàn vôùi söï coù maët cuûa caùc khí axít, khoâng ñoâng ñaëc ôû nhieät ñoä thöôøng khi dung dòch coù noàng ñoä cao. Nhöng nhöôïc ñieåm cuûa phöông phaùp naøy laø chi phí ñaàu tö cao, khoù taùi sinh, cho nhieät ñoä ñieåm söông cuûa khí cao, coù khaû naêng aên moøn kim loaïi, ñieàu naøy ít mang laïi hieäu quaû cho quaù trình trình söû duïng coâng ngheä. c. Phöông phaùp haáp phuï : Phöông phaùp naøy ñöôïc söû duïng khi yeâu caàu khí saûn phaåm coù ñoä saïch cao. Quaù trình naøy ñöôïc tieán haønh khi ngöôøi söû duïng moät pha raén coù beà maët rieâng lôùn, ñeå giöõ laïi moät caùch choïn loïc treân beà maët noù caùc caáu töû caàn taùch. Do vaäy, caùc chaát haáp phuï thöôøng ñöôïc ñaëc tröng bôûi caáu truùc xoáp vôùi caùc mao quaûn raát nhoû ñeå taïo ra beà maët rieâng lôùn. Caùc chaát haáp phuï thöôøng söû duïng laø : Nhoâm hoaït tính, silicagen, ñaát seùt, zeolit. Nhöõng öu nhöôïc ñieåm cuûa phöông phaùp: + Öu ñieåm : Cho hieäu suaát laøm saïch raát cao, coù theå laøm giaûm haøm löôïng nöôùc xuoáng coøn 0,01 ppm vaø taïo ra cho khí coù nhieät ñoä ñieåm söông thaáp, ñoàng thôøi zeolit coù theå laøm vieäc ôû nhieät ñoä cao. + Nhöôïc ñieåm : Giaù thaønh töông ñoái cao do ñoù chæ aùp duïng khi yeâu caàu ñieåm söông thaáp. d. Phöông phaùp thaåm thaáu : Nguyeân taéc cuûa phöông phaùp laø döïa vaøo söï thaåm thaáu cuûa khí qua maøn thaåm thaáu. Döôùi taùc duïng cuûa maøng thaåm thaáu seõ cho nhöõng phaân töû coù kích thöôùc nhoû Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí -4- Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51 hôn kích thöôùc cuûa maøng qua coøn caùc caáu töû coù kích thöôùc lôùn hôn seõ ñöôïc giöõ laïi. Nhö vaäy, aùp suaát caøng cao thì quaù trình thaåm thaáu ngaøy caøng nhanh. Phöông phaùp naøy chæ aùp duïng khi ñoä tinh khieát cuûa khí khoâng cao. Qua caùc phöông phaùp ñaõ neâu treân, ta thaáy phöông phaùp haáp phuï laø cho hieäu suaát khöû nöôùc laø cao nhaát, ñem laïi hieäu quaû kinh teá cao vaø deã töï ñoäng hoùa. Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí -5- Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51 PHẦN II: TÍNH TOÁN THÁP LÀM KHÔ KHÍ BẰNG DIETYLEN GLYCOL (DEG) Đề soá 6: Cấu tử %V C1 70 C2 8.2 C3 4.8 n-C4 4.1 i-C4 3.5 n-C5 2.8 H2 S 1.8 CO2 2.5 N2 2.3 Lượng khí cần làm khô: 5.2.106 Nm3/ngày Nhiệt độ khí nguyên liệu: 65oC Áp suất khí nguyên liệu: 8.5 MPa Điểm sương khí khô: +15oC Áp suất khí khô: 8.2 MPa Lưu lượng DEG nghèo: 34 kg DEA / 1kg H2O. Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí -6- Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51 I. Tính toán các thông số Sơ đồ tháp hấp thụ làm khô khí 1. Bước 1: Cụ thể hóa các dữ liệu ban đầu. Các số liệu xuất phát để tính toán thiết kế quá trình làm khô bằng Glycol là: - Thành phần khí nguyên liệu: Cấu tử C1 C2 C3 n-C4 i-C4 n-C5 H2 S CO2 N2 %V 70 8.2 4.8 4.1 3.5 2.8 1.8 2.5 2.3 Lượng khí nguyên liệu: 5.2.106 Nm3/ngày = 216.67.103 Nm3/h = 216.67.106 l/h - Nhiệt độ khí nguyên liệu: 65oC Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí -7- Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51 - Áp suất khí nguyên liệu: 8.5 MPa - Điểm sương cần đạt đối với khí ra: +15oC - Áp suất khí khô: 8.2 MPa - Chất hấp thụ cần dùng: DEG (HO(-CH2-CH2-0-)2H) - Lưu lượng DEG nghèo bơm vào: 34 kg DEA / 1kg H2O 2. Bước 2: Xác định nồng độ tối thiểu của dung dịch glycol (  min ). Kinh nghiệm thực tế cho thấy ở các thiết bị công nghiệp, sự làm khô khí đến điểm sương cân bằng là không thể thực hiện được vì khí chỉ tiếp xúc với glycol có nồng độ đã tính toán tại mâm trên cùng, còn ở các mâm dưới nồng độ các glycol sẽ giảm đi do sự hấp thụ nước. Do đó trong các thiết bị công nghiệp điểm sương thực tế của khí cần làm khô sẽ cao hơn từ 5 – 11 oC so với điểm sương cân bằng. Ta có theo đầu bài cho điểm sương khí khô +15oC nên ta sẽ chọn điểm sương thấp hơn 8oC  điểm sương khí khô là 7oC . Theo đầu bài nhiệt độ khí nguyên liệu 65oC, do nhiệt độ làm việc của tháp hấp thụ xấp xỉ nhiệt độ môi trường nên khí nguyên liệu trước khi vào tháp ta làm lạnh bằng không khí từ 65oC xuống 40oC  nhiệt độ khí nguyên liệu vào tháp (nhiệt độ tiếp xúc) là 40oC. Dựa vào đồ thị trên hình II.7, trang 98 [1] biểu diễn sự phụ thuộc của khí nguyên liệu và điểm sương của khí ra với dung dịch DEG ta xác định được  min của DEG trong dung dịch: Điểm sương khí khô: 7oC Nhiệt độ khí nguyên liệu: 40oC   min = 96,8 %  97% Vậy với khí nguyên liệu có nhiệt độ vào 40oC và điểm sương khí khô 7oC ta phải sử dụng dung dịch DEG 97%. Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí -8- Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51 3. Bước 3: Xác định hàm lượng ẩm (W) của khí cần làm khô dựa theo đồ thị II.1, trang 52 [2]. Theo thành phần khí nguyên liệu ta thấy H2S chiếm 1,8% thể tích. Vậy hàm lượng của H2S được xác định như sau: - Áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng: PV = nRT  n = PV 1  216.67.10 6  0.018   165145 mol RT 0.082  (273  15) 3  mH2S = 165145 x 34 = 5615.10 g 5615.10 3  25.9 g/Nm3 >> 5.7 mg/Nm3  Hàm lượng H2S trong 1 m là: 3 216.67.10 3 Mà hàm lượng CO2 2,5% > 2% Vậy khí nguyên liệu đã cho là khí chua nên khi ta xác định hàm lượng ẩm của khí nguyên liệu ta phải xét cả hàm lượng ẩm do H2S và CO2 đóng góp. Từ đồ thị II.1:  Tnguyên liệu = 40oC, P = 8.5 MPa  WHC = 940.10-6 (kg/m3) WH 2 S = 2700.10-6 (kg/m3) WCO 2 = 1400.10-6 (kg/m3) Áp dụng phương trình hàm lượng ẩm của khí chua: W1 = WHC.YHC + WH 2 S.YH 2 S + WCO 2 .YCO 2 = 940.10-6.0.957 + 2700.10-6.0,018 + 1400.10-6.0,025 = 983. 10-6 (kg/m3)  Tkhí khô = 15 oC, P = 8.2 MPa  W2= 262.10-6 (kg/m3) Trong đó: W1 – Hàm lượng ẩm của khí nguyên liệu (kg/m3) W2 – Hàm lượng ẩm của khí khô (kg/m3) Tính lưu lượng của dung dịch DEG nghèo theo phương trình: Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí -9- Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51 L1 = V.( W1 - W2 ).l (3) Trong đó: V – Lưu lượng thể tích khí nguyên liệu (Nm3/h) L1 – Lưu lượng của dung dịch DEG nghèo (kg/h) l – Lưu lượng riêng của DEG Thay V = 216.67.103 m3/h vào (3): l = 34 kg DEA / 1kg H2O W1 = 983. 10-6 (kg/m3) W2= 262.10-6 (kg/m3) 3 -6 -6  L1 = 216.67.10 .( 983. 10 - 262.10 ).34 = 5311.4 (kg/h) 4. Bước 4: Tính nồng độ của dung dịch DEG giàu (  2 ) Ta có nồng độ của dung dịch DEG giàu được xác định theo phương trình cân bằng vật chất dựa trên độ ẩm trong pha lỏng và khí: 2 = L1 1 L1  W1  W2 V (4) Trong đó: 1 - Nồng độ phần khối lượng của dung dịch DEG vào (% ) ( 1   min ) V – Lưu lượng khí nguyên liệu vào Nm3/h) Ta lấy 1 = 97% Thay 1 = 97% vào (4): V = 216.67.103 m3/h W1 = 983. 10-6 (kg/m3) W2= 262.10-6 (kg/m3) L1 = 5311.4 (kg/h)  2 = 5311.4  97 = 94.2 5311.4  983.10 6  262.10 6  216.67.103   Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 10 - Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51 5. Bước 5: Tính lưu lượng DEG giàu (L2) theo phương trình: L2 = L1 + ( W1 - W2 ).V = 5311.4 + (983. 10-6 - 262.10-6).216.67.103 = 5467.6 (kg/h) 6. Bước 6: tính hằng số cân bằng K của quá trình hút ẩm theo phương trình: K= W2 1   1 M o  18 1  748.44M o 1   1  (6) Trong đó: Mo – Khối lượng phân tử của DEG Đổi đơn vị: W2 = 262.10-6 kg/m3 = 262.10-3 g/m3 Thay Mo = 106 vào (6): W2 = 262.10-3 g/m3 1 = 97 % K = 262.10 3  1  0.97   106  18  0.97 = 0.0022 748.44  106  1  0.97  7. Bước 7: Xác định yếu tố hấp thụ A theo phương trình: A= L' KV ' Trong đó: L’ – Lưu lượng dung dịch glycol nghèo vào (kmol/h) V’ - Lưu lượng khí nguyên liệu (kmol/h) Đổi đơn vị: L’= 5311.4 (kg/h) = 5311.4 = 50.1 (kmol/h) 106 V’= 216.67.103 m3/h =  A= 216.67.10 3 = 9180.9 (kmol/h) 23.6 50.1 = 2.48 0.0022  9180.9 Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 11 - Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51 8. Bước 8: Tính hệ số tách ẩm thực tế  T (0<  T <1) theo phương trình: T  W1  W2 983.10 6  262.10 6   0.733 (thỏa mãn) W2 983.10 6 Vậy hiệu quả hấp thụ thực tế là 73.3% 9. Bước 9: Tính hệ số tách ẩm lý thuyết  lt (0<  lt <1) theo phương trình:  lt =  T Yn' 1 Yn'1  KX o' (9) Trong đó: X o' - Nồng độ phần mol của H2O trong dung dịch DEG nghèo được tính theo phương trình: 1  1 1  0.97 18 18 X o' =   0.154 1  1 1  0.97 0.97    18 106 18 Mo Yn'1 - Phần mol của H2O trong khí nguyên liệu được tính theo phương trình: Yn'1 =   lt = W1  23.6 983.10 6  23.6   0.00129 18 18 0.733  0.00129  0.994 0.00129  0.0022  0.154 Vậy hiệu quả hấp thụ lý thuyết là 99.4% 10. Bước 10: Xác định số đĩa lý thuyết dựa vào phương trình Kramser (rút gọn):  lt = A n1  A A n1  1  A n1 =  lt  A  lt  1   lt  A   0.994  2.48   : log(A) = log   : log(2.48) = 6.069  0.994  1    lt  1   n+1 = log   n = 5.069 (đĩa) Vậy số đĩa lý thuyết là 5.069 đĩa Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 12 - Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51 11. Bước 11: Tìm số đĩa thực tế (nth) theo phương trình: nth  nlt  Trong đó:  - Hiệu suất làm việc của đĩa thường nằm trong khoảng 0.25 -0.4 Ta chọn:  = 0.35  nth  5.069  15 (đĩa) 0.35 Vậy số đĩa thực tế là 15 đĩa 12. Bước 12: Tính đường kính tháp hấp thụ D theo phương trình: D = 0.0114 0.1QT WP (12) Trong đó: D– Đường kính tháp (m) Q – Lưu lượng khí nguyên liệu (Nm3/h) T – Nhiệt độ khí nguyên liệu (oK) P- Áp suất khí nguyên liệu (MPa) W - Vận tốc tuyến tính cuả khí trong tháp (m/h) Thay Q = 216,67.103 vào (12) : T = 40 + 273 = 313 oK P = 8.5 MPa W =0.13 m/s = 0.13.3600 = 468 m/h 0.1 216.67.10 3  313  0.47 (m) = 470mm  D = 0.0114 468  8.5 Vậy đường kính tháp hấp thụ là 470mm 13. Bước 13 : Tính chiều cao tháp hấp thụ H theo phương trình : Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 13 - Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51 H = nth x d + h (13) Trong đó : d – khoảng cách giữa các đĩa (d = 0.5 – 0.6 m ) h – chiều cao bổ trợ tính cho chóp đỉnh và chóp đáy (h = 1.2 – 1.6 m) Ta lấy : d = 0.55 m h = 1.4 m Thay vào (13) ta được : H = 15 x 0.55 + 1.4 = 9.65 (m) Vậy chiều cao tháp hấp thụ 9.65m Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 14 - Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51 II. Kết luận Qua quá trình tính toán ta thấy với khí nguyên liệu có thành phần như trên ta cần thiết kế tháp làm khô khí bằng Dietylen glycol có các thông số sau : Các thông số - Khí nguyên liệu : Lưu lượng (m3/h) Nhiệt độ (oC) Ap suất (MPa) Hàm lượng ẩm W1 (kg/m3) Điểm sương (oC) Áp suất (MPa) Hàm lượng ẩm W2(kg/m3) - Khí khô : - DEG nghèo vào: Lưu lượng riêng (kg DEG/1 kg H2O) Lưu lượng L1 (kg/h) Nồng độ tối thiểu  min (%) Nồng độ 1 (%) 216.67.103 40 8.5 983.10-6 +15 34 262.10-6 8.5 5311.4 97 97 Lưu lượng L2 (kg/h) 94.2 5467.6 - Hằng số cân bằng của quá trình hút ẩm K 0.0022 - Yếu tố hấp thụ A 2.48 Nồng độ  2 (%) - DEG giàu : - Hệ số tách ẩm: - Tháp hấp thụ: Thực tế Lý thuyết + Số đĩa: Lý thuyết (đĩa) Thực tế (đĩa) + Đường kính (mm) + Chiều cao (m) Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí 0.733 0.994 5.069 15 470 9.65 - 15 - Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Công nghệ chế biến khí thiên nhiên và khí dầu mỏ, trường ĐH Tp.HCM 2. John M. Campbell, Gas Conditioning and Processing, Volume 1 Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 16 -