Tài liệu Đồ án môn học công nghệ chế biến khí

Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí MỤC LỤC L I M Đ U ................................................................................................................. 3 T NG QUAN LÝ THUY T .......................................................................................... 4 I, Gi i thi u chung về khí tự nhiên và khí đ ng hành ................................................. 4 1, Thành ph n và tính ch t chung của khí tự nhiên và khí đ ng hành[1] ................. 4 2, Lịch sử phát triên của khí tự nhiên ...................................................................... 5 II, Các ph ơng pháp ch bi n khí tự nhiên và khí đ ng hành..................................... 7 1, Chuẩn bị để ch bi n ........................................................................................... 7 2, Ph ơng pháp ch bi n khí bằng ph ơng pháp ng ng tụ ..................................... 8 3, Ch bi n khí bằng ph ơng pháp h p thụ ............................................................ 9 4, Ch bi n khí bằng ph ơng pháp ch ng c t ....................................................... 10 III, Cơ s hóa lý của quá trình ng ng tụ nhi t độ th p.............................................. 11 1, Khái ni m về quá trình ng ng tụ ....................................................................... 11 2, Đặc điểm của quá trình ng ng tụ ...................................................................... 11 3, Quá trình chuyển pha của khí đ ng hành. ......................................................... 12 4, Hằng s cân bằng pha[1]. ................................................................................... 16 5, Ph ơng pháp tính thành ph n l ng hơi[1] .......................................................... 16 6, Quá trình ng ng tụ nhi t độ th p trong ch bi n khí đ ng hành ....................... 17 IV, T ng quan về các công ngh ch bi n khí bằng ph ơng pháp ng ng tụ nhi t độ th p ................................................................................................................................... 19 1. Phân lo i các sơ đ công ngh ........................................................................... 19 2. Phân tích lựa chọn công ngh [1] ......................................................................... 20 3. Các thi t bị chính có trong qúa trình ch bi n bằng ph ơng pháp ng ng tụ nhi t độ th p. ....................................................................................................................... 27 Phạm Anh Tuấn 1 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí TÍNH TOÁN.................................................................................................................. 33 I, Mô ph ng công ngh bằng ph n mềm HYSYS ..................................................... 33 1. Xây dựng cơ s mô ph ng................................................................................. 33 2. Xây dựng l u trình chính................................................................................... 33 3. Thi t l p chu trình làm l nh bằng propan.......................................................... 37 4. Thi t l p Spreadsheet xác định l ợng propan ................................................... 39 II. K t qu .................................................................................................................. 41 1, Cân bằng chung của quá trình ........................................................................... 41 2. Cân bằng v t ch t t i các tháp tách ................................................................... 43 3. Cân bằng nhi t l ợng t i các tháp tách.............................................................. 46 4. Kích th c thi t bị chính ................................................................................... 48 K T LU N ................................................................................................................... 49 TÀI LI U THAM KH O ............................................................................................. 50 Phạm Anh Tuấn 2 Đồ án môn học L IM Công nghệ chế biến khí Đ U Ngành d u khí Vi t Nam là một ngành m i phát triển đ ợc hơn 20 năm nh ng đư chi m một ph n quan trọng trong sự phát triển của đ t n c. Đặc bi t là ngành công nghi p ch bi n d u khí. Đây là một trong những tiền đề cơ b n để phát triển các ngành công nghi p quan trọng của đ t n c. Cùng v i quá trình khai thác và ch bi n d u thô, thì ngành công nghi p ch bi n khí hi n đang phát triển m nh m . S n phẩm của các nhà máy ch bi n khí của Vi t Nam hi n nay là khí khô th ơng phẩm, LPG và condensate. Trong đó có hai lo i s n phẩm LPG và Condensate đư đ ợc t n dụng tri t để mang l i hi u qu kinh t mang l i hi u qu kinh t cho qu c gia. S n phẩm khí khô th ơng phẩm mà thành ph n chủ y u là khí metan và etan, ph n l n đ ợc dùng làm nhiên li u cho các nhà máy đi n, chi m 85 ậ 90% s n l ợng khí, có giá trị kinh t th p. Trong khi đó, l ợng khí dùng làm nguyên li u cho các nhà máy đ m Cà Mau và đ m Phú Mỹ, chỉ chi m 6%[9]. Cùng v i sự phát triển khoa học kĩ thu t, từ khí tự nhiên và khí đ ng hành ng i ta đư s n xu t ra nhiều s n phẩm khác nhau nh : r ợu, axeton, NH3, phân bón, ch t tẩy rửa t ng hợpầ đ ợc ứng dụng trong nhiều ngành nh : mỹ phẩm, d t may, đ gia dụngầ phục vụ cho công nghi p và đ i s ng nhân dân. Chính vì những lợi ích to l n mà nghành d u khí nói chung và ngành ch bi n khí nói riêng đem l i thì vi c đ u t và phát triển công nghi p ngành công nghi p mũi nhọn này là một đi đúng h ng của đ ng và nhà n c ta nhằm thúc đẩy kinh t và c i thi n đ i s ng nhân dân. Trong ph m vi đ án này ta chỉ nghiên cứu ph ơng pháp ch bi n khí bằng ph ơng pháp ng ng tụ nhi t độ th p vì ph ơng pháp này vừa đơn gi n mà cho hi u qu cao, và có tính kh thi nh t. Phạm Anh Tuấn 3 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí T NG QUAN LÝ THUY T I, Gi i thi u chung về khí tự nhiên và khí đ ng hành 1, Thành ph n và tính ch t chung của khí tự nhiên và khí đ ng hành[1] Những c u tử cơ b n của khí tự nhiên và khí đ ng hành là: metan, etan, propan, butan (normal và izo). Khí tự nhiên đ ợc khai thác từ các m khí, còn khí đ ng hành đ ợc khai thác từ các m d u đ ng th i v i quá trình khai thác d u m . Trong khí tự nhiên thành ph n chủ y u là metan (chi m đ n 98% thể tích). Các m khí tự nhiên là các túi khí nằm sâu d i mặt đ t. Khí đ ng hành nh n đ ợc từ các m d u cùng v i quá trình khai thác d u m . Trong thành ph n của khí đ ng hành ngoài c u tử chính là metan còn có etan, propan, butan và các hydrocacbon nặng v i hàm l ợng đáng kể. Thành ph n những c u tử cơ b n trong khí thay đ i trong ph m vi khá rộng tùy theo m d u khai thác. Ngoài ra trong thành ph n khí tự nhiên và khí đ ng hành còn có H2O, H2S, cùng các hợp ch t chứa l u huỳnh, S, N2 và heli. Ng i ta còn phân lo i khí theo hàm l ợng hydrocacbon từ propan tr lên. Khí giàu propan, butan và các hydrocacbon nặng (trên 150g/m3) đ ợc gọi là khí béo (khí d u). Từ khí này ng i ta ch xăng khí, khí hóa l ng LPG và các hydrocacbon cho công ngh t ng hợp hữu cơ. Còn khí chứa ít hydrocacbon nặng (từ propan tr lên, d i mức 50g/m3) gọi là khí khô (khí g y), đ ợc sử dụng làm nhiên li u cho công nghi p và đ i s ng, làm nguyên li u cho công ngh t ng hợp hữu cơ, nguyên li u cho s n xu t phân đ m, s n xu t etylen, axetylen, etanolầ Trữ l ợng khí n c ta có thể phát hi n c tính vào kho ng 1.300 tỷ m3 kh i khí. Trữ l ợng này phân b trên toàn lãnh th nh ng chủ y u là các bể Nam Côn Sơn, Sông H ng, Ma Lay ậ Th Chu. B ng 1.1: Thành phần khí ở bể Cửu Long (% theo thể tích) M Thành ph n Metan C1 Etan C2 Propan C3 Phạm Anh Tuấn R ng (lô 09) B ch H (lô 09) Khí tự do 76,82 11,87 5,89 84,77 7,22 3,46 Đ ng hành R ng Đông (lô 09) Ruby (lô 09) 76,54 6,89 8,25 77,62 10,04 5,94 78,02 10,57 6,70 4 Đồ án môn học Butan C4 Condensat C5+ N2 CO2 H2 S Công nghệ chế biến khí 1,04 0,32 0,5 1,00 - 1,7 1,3 - 0,78 0,5 - 2,83 0,97 0,33 0,42 - 1,74 0,38 0,6 0,07 - B ng 1.2: Thành phần khí ở một số bể nước Mỹ[7] M Hugoton Austin Deep Lake Carthage Earth 71,51 7,0 4,40 0,99 0,02 15,50 0,58 79,74 9,10 2,80 0,50 0,16 7,30 0,40 98,5 0,87 0,17 0,06 0,10 0,30 - 90,06 4,05 1,51 1,11 0,74 1,83 0,70 - 92,76 3,03 1,36 0,80 1,64 0,41 - Thành ph n Metan C1 Etan C2 Propan C3 Butan C4 Condensat C5+ N2 CO2 H2 S Heli 2, Lịch sử phát triên của khí tự nhiên Khí tự nhiên đư đ ợc phát hi n từ th i c đ i Trung Đông. Hàng ngàn năm tr c, nó đ ợc chú ý đ n khi xu t hi n ngọn lửa cháy mãi không tắt do sét đánh t i những nơi khí rò rỉ. T i Persia, Hy L p và n Độ, họ đư xây dựng những đền th i xung quanh những nơi đó để phục vụ tôn giáo. Tuy nhiên, giá trị về năng l ợng không đ ợc chú ý cho đ n t n những năm 900 TCN, ng i Trung Qu c đư khoan gi ng khí tự nhiên đ u tiên vào năm 211 TCN. T i Châu Âu, khí tự nhiên không đ ợc bi t đ n cho đ n khi đ ợc phát hi n t i Anh vào năm 1659, mặc dù đ n t n 1790 nó m i đ ợc th ơng m i hóa. Năm 1821 t i Fredonia, Mỹ ng i dân đư phát hi n th y những bọt khí n i lên t i một con l ch. Wiliam Hart, đ ợc coi cha đẻ của ngành khí thiên nhiên, đư đào gi ng khí đ u tiên t i Bắc Mỹ. Tr c đây, khí thiên nhiên đ ợc phát hi n nh là h qu của quá trình thăm dò d u thô. Khí tự nhiên đ ợc coi là s n phẩm không mong mu n, trong quá trình khoan d u gặp ph i m khí, công nhân ph i dừng khoan và để khí tự do thoát ra ngoài. Cho đ n t n Phạm Anh Tuấn 5 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí những năm 70 của th kỉ tr c, cuộc khủng ho ng d u m x y ra khi n khí tự nhiên tr thành một trong những ngu n năng l ợng quan trọng b c nh t trên th gi i Trong su t th kỉ19, khí tự nhiên h u h t chỉ đ ợc dùng để chi u sáng t i chỗ do khó khăn trong vi c v n chuyển đ ng dài. Đ n năm 1890 v i sự phát minh ch ng rò rỉ kh p ng n i đư d n đ n sự thay đ i quan trọng. Nh ng ph i đ n t n những năm 1920, cùng v i sự phát triển của công ngh đ ng ng, v n chuyển khí tự nhiên đ ng dài m i đ ợc đ a vào thực t . Tuy nhiên, chỉ sau Chi n tranh Th gi i thứ II thì khí thiên nhiên m i phát triển m nh m do sự ti n bộ trong h b n chứa và v n chuyển khí. N c Nga là n c có trữ l ỡng khí l n nh t th gi i, chi m kho ng 23,9%. Cho đ n năm 2010, t ng s n l ợng khí đ t kho ng 588,9 tỉ m3 khí. Trong đó kho ng 1/3 dùng để xu t khẩu sang châu Âu và các n c SNG. Ngu n lợi thu từ vi c xu t khẩu d u và khí vô cùng to l n khi chi m đ n 25% GDP của n c Nga. Mỹ, khí đ t có vai trò cực kì quan trọng khi chi m 23% t ng năng l ợng sử dụng. Từ etan đư ch bi n 40% etylen phục vụ cho s n xu t nhựa t ng hợp, oxit etylen, ch t ho t động bề mặt, nhiều s n phẩm và bán s n phẩm hóa học khác. Ngoài ra từ khí tự nhiên và khí đ ng hành, sau khi làm s ch và ch bi n khí ng i ta còn nh n đ ợc một l ợng l n l u huỳnh, heli và một s s n phẩm vô cơ khác phục vụ cho nhiều ngành kinh t qu c dân. Mỹ và Canada là một trong hai n c đứng đ u về s n xu t heli, một trong những s n phẩm quan trọng nh t trong công ngh nghiên cứu vũ trụ, nghiên cứu kỹ thu t thâm l nh, sắc ký... Trong những năm g n đây các n c Trung đông (Iran, Arapxeut, Beren...) dự định hoàn thành ch ơng trình về khai thác, ch bi n và v n chuyển khí đ ng hành v i t ng giá trị kho ng 33 tỉ USD . Ng i ta nghĩ rằng điều này cho phép xu t khẩu kho ng 46 tri u t n LPG mỗi năm. Riêng Vi t Nam ngành d u khí n c ta tuy m i hình thành và phát triển nh ng v i tiềm năng về khí khá phong phú, thì đây là một tiền đề quan trọng để ngành công nghi p này phát triển hơn. Cho đ n nay Vi t Nam đang khai thác 6 m d u và 1 m d u khí, hình thành 4 cụm khai thác d u quan trọng:  Cụm m thứ nh t : nằm vùng đ ng bằng Bắc Bộ g m nhiều m khí nh , trong đó có Tiền H i “C”, trữ l ợng kho ng 250 m3/khí, đư bắt đ u khai thác từ tháng 12 năm 1981v i trên 450 tri u m3/khí phục vụ cho công nghi p địa ph ơng và là ngu n nguyên li u cho công nghi p khí các tỉnh phía Bắc. Phạm Anh Tuấn 6 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí  Cụm m thứ hai: thuộc vùng biển Cửu Long, g m chứa 4 m d u : B ch H , R ng, R ng Đông, Rubi là cụm quan trọng nh t hi n nay, cung c p trên 96% s n l ợng d u toàn qu c.  Cụm m thứ ba: vùng biển Nam Côn Sơn g m m d u Đ i Hùng đang khai thác và các m khí đư phát hi n khu vực xung quanh là Lan Tây, Lan Đ , H i Th ch, Mộc Tinh và m d u khí R ng Đôi Tây ầ đang chuẩn bị đ a vào khai thác .  Cụm m thứ t : t i thềm lục địa Tây Nam bao g m m Bungakclwa - Cái N c đang khai thác d u, m Bunga Orkid, Bunga Parkma, Bunga Rây t i khu vực th a thu n th ơng m i Vi t Nam ậ Malaysia là khu khai thác và cung c p khí l n thứ hai và s là cơ s đ m b o sự phát triển khu công nghi p d u khí Cà Mau ậ C n Thơ . V i tiềm năng về khí khá phong phú nh v y, Viêt Nam có nhiều điều ki n phát triển công nghi p khai thác và ch bi n khí thúc đẩy m nh hơn nền kinh t và đ a đ t n c ta lên một t m cao m i. II, Các phương pháp ch bi n khí tự nhiên và khí đ ng hành 1, Chuẩn bị để ch bi n Khí sau khi khai thác ngoài các c u tử chính là các hydrocacbon parafin còn chứa các t p ch t nh : bụi, hơi n c, khí trơ, CO2, H2S và các hợp ch t hữu cơ của l u huỳnh. T c khi đ a vào ch bi n, khí c n ph i qua công đo n chuẩn bị, t i đó ti n hành lo i b các t p ch t kể trên bằng quá trình tách bụi, tách hơi n c và khí axít. Có r t nhiều các ph ơng pháp lo i b cơ học nh : - Làm s Làm s Làm s Làm s ch khí bằng ph ơng pháp lắng. ch khí bằng ph ơng pháp t. ch khí bằng ph ơng pháp lọc. ch khí bằng ph ơng pháp đi n tr ng. Các ph ơng pháp trên có nhiều u nh ợc điểm: - Đ i v i ph ơng pháp lắng d i của tác dụng của trọng l c thì thi t bị c ng kềnh, hi u qu th p, nh ng đơn gi n thông dụng. Đ i v i ph ơng pháp lọc d i tác dụng của lực ly tâm thì thi t bị gọn hơn, song không thể lọc hoàn h o đ ợc đ i vơí h t nh , ph ơng pháp t n nhiều năng l ợng. Phạm Anh Tuấn 7 Đồ án môn học - Đ iv - Đ i v i ph ơng pháp làm s tr ng hợp không dùng. Công nghệ chế biến khí t thì khí làm nguội bưo hào hơi n c nên một i ph ơng pháp đi n tr ng là có u điểm hơn c : Độ s ch cao: 90-99% Năng l ợng tiêu hao ít Tr lực không quá 3-5 mm cột n c Ti n hành nhi t độ cao, trong môi tr ng ăn mòn hoá học. Có thể tự động hoá và cơ khí hoá hoàn toàn. Nh ng cũng có nh ợc điểm là tiền chi phí cao và tiêu hao đi n năng l n. Sự có mặt của n c trong khí có thể t o hydrat, c n tr quá trình v n hành của các thi t bị trong quá trình ch bi n khí ( nh bơm, qu t, máy nénầ). Để h n ch tác h i của hi n t ợng này, khí c n đ ợc dehydrat bằng cách s y khí hoặc trộn thêm vào khí hoặc trộn thêm vào khí tác nhân ức ch quá trình t o hydrat. Mục đích của quá trình s y khí hay dùng ch t ức ch t o hydrat là tách b t l ợng hơi n c và t o ra cho khí có nhi t độ điểm s ơng theo n c th p hơn so v i nhi t độ cực tiểu mà t i đó khí đ ợc v n chuyển hay ch bi n. Có nhiều ph ơng pháp để s y khí: - S y khí bằng ph ơng pháp h p thụ S y khí bằng ph ơng pháp h p phụ. Sử dụng ch t ức ch quá trình t o hydrat. Để làm s ch khí kh i H2S, CO2 và các hợp ch t hữu cơ chứa l u huỳnh ta th sử dụng các dung môi hữu cơ sau: - ng Làm s ch bằng dung môi Alknol amin Làm s ch bằng dung môi v t lý và dung môi t ng hợp. 2, Phương pháp ch bi n khí bằng phương pháp ngưng tụ Ti n hành ch bi n khí bằng ph ơng pháp ng ng tụ nhi t độ th p từ -25oC đ n 35oC áp su t cao 3,0 ậ 4,0 Mpa. Đây đ ợc coi là ph ơng pháp có hi u qu và kinh t hơn c để ch bi n khí tự nhiên và khí đ ng hành. Khí đ ng hành từ xí nghi p khai thác d u đ ợc nén bằng máy nén khí sau đó đ ợc làm l nh và đ a vào thi t bị s y khí để tách ẩm r i đ ợc đ a qua thi t bị trao đ i nhi t và Phạm Anh Tuấn 8 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí làm nguội sau đó khí đ ợc đ a đ n thi t bị ng ng tụ nhi t độ th p. T i đó, khí đ ợc nén và làm l nh t i nhi t độ âm c n thi t, sau đó hỗn hợp khí đ ợc đ a sang bộ ph n tách khí, lúc này một ph n hydrocacbon đư ng ng tụ đ ợc tách ra. Sau khi đ ợc nén và làm l nh thì hỗn hợp khí bị tách ra thành hai ph n: Ph n ng ng tụ (gọi là condesat) của b c nén và làm l nh. Khí đ ng hành đ ợc bơm từ thùng chứa qua bộ ph n trao đ i nhi t sang cột tách etan. T i đó phân đo n chứa metan và etan đ ợc tách ra. Sau đó benzin là ph n ng ng tụ đư tách metan và etan qua thi t bị trao đ i nhi t vào bình chứa, từ đó nó đ ợc đ a đi ch bi n ti p. Ph pháp r t t công ngh để nên ph ơng pháp ng ng tụ nhi t độ th p để tách bezin từ khí đ ng hành là ph ơng n kém, để thực hi n đ ợc c n có thi t bị làm l nh phức t p. Tuy nhiên do sơ đ t ơng đ i đơn gi n, mà hi u qu tách benzin ra kh i hỗn hợp khí khá cao, tri t ơng pháp này đ ợc ứng dụng rộng rãi trong công nghi p ch bi n khí. 3, Ch bi n khí bằng phương pháp h p thụ Ngoài ch bi n khí bằng ph ơng pháp ng ng tụ thì ng i ta còn áp dụng ph ơng pháp h p thụ để ch bi n khí. Ph ơng pháp này dựa trên cơ s của 2 quá trình chuyển kh i cơ b n: h p thụ và nh h p thụ. B n ch t v t lý của quá trình là sự cân bằng giữa dòng khí và dòng l ng do sự khu ch tán ch t từ pha này sang pha khác. Khi đ t cân bằng bền động lực, sự khu ch tán đ ợc xác định bằng hi u s áp su t riêng ph n của c u tử bị tách ra trong pha khí và pha l ng. N u áp su t riêng ph n của c u tử trong pha khí l n hơn trong pha l ng thì x y ra quá trình h p thụ (h p thụ khí b i ch t l ng). Và ng ợc l i, n u áp su t riêng ph n của c u tử bị tách ra trong pha khí nh hơn trong pha l ng thì x y ra quá trình nh h p thụ (thoát khí ra kh i ch t l ng). Đ i v i các tính toán thực t , động lực của quá trình h p thụ đ ợc biểu thị chính xác hơn không chỉ qua áp su t riêng ph n mà còn qua n ng độ của các c u tử t ơng ứng. T i các nhà máy ch bi n khí, quá trình h p thụ và nh h p thụ đ ợc thực hi n trong các tháp h p thụ và tháp nh h p thụ (tháp ch ng luy n) có c u t o kiểu tháp đĩa hoặc tháp đ m, ch t h p thụ đ ợc dùng đây là các phân đo n benzin, kerosen hoặc hỗn hợp của chúng. Phạm Anh Tuấn 9 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí 4, Ch bi n khí bằng phương pháp chưng c t Sơ đ ch ng c t nhi t độ th p đ ợc thực hi n quá trình tách các c u từ định tr c hi u qu hơn sơ đ h p thụ nhi t độ th p (HNI) và thi t bị ch t o cũng đơn gi n hơn. Khác nhau về mặt nguyên lý giữa hai sơ đ CNT và NTT là chỗ nguyên li u đi vào thi t bị sau khi làm l nh (không có sự tách sơ bộ mà đ ợc đ a thẳng vào tháp ch ng. T i đó x y ra sự phân tích riêng bi t khí nguyên li u thành khí khô(thoát ra từ đỉnh tháp) và phân đo n hydrocacbon nặng . Phụ thuộc vào sơ đ nguyên lý của quá trình ch ng c t nhi t độ th p, thi t bị cơ b n của sơ đ là tháp ch ng đ ợc chia thành ch ng b c hơi và tháp ng ng tụ ậ b c hơi. Hình 1a: Sơ đồ tháp chưng bốc hơi Hình 1b: Sơ đồ tháp ngưng tụ - bốc hơi 1. Thi t bị trao đ i nhi t; 2. Tháp ch ng b c hơi; 3. Chu trình làm l nh ngoài; 4. Thi t bị tách; I. Khí nguyên li u; II. Khí đư tách benzin; III. ng truyền nhi t; IV. Hydrocacbon nặng; V. H i l u 1. Chu trình làm l nh ngoài; 2. Tháp tách; 3. Tháp ng ng tụ b c hơi; I. Khí nguyên li u; ; II. Khí đư tách benzin; III. ng truyền nhi t; IV. Hydrocacbon nặng; V. H i l u; VI. S n phẩm đỉnh tháp Phạm Anh Tuấn 10 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí V i 3 sơ đ công ngh ch bi n khí nói trên thì ta có một vài nh n xét sau: Từ những u nh ợc điểm và ph m vi công dụng của mỗi công ngh thì ph ơng pháp ch bi n khí bằng NNT đem l i hi u qu cao nh t. Ph ơng pháp này phù hợp v i điều ki n ch bi n khí đ ng hành v i năng su t công ngh là 5 tri u m3/ngày, h s tách c u tử chính là =75% propan .Mặt khác v i ph ơng pháp này mang l i hi u qu cao đặc bi t trong tình hình kinh t của đ t n c ta hi n nay thì đây là một công ngh ch bi n khí đơn gi n, và kh thi nh t. III, Cơ s hóa lý của quá trình ngưng tụ nhi t độ th p 1, Khái ni m về quá trình ngưng tụ Ng ng tụ là quá trình chuyển khí hoặc hơi sang tr ng thái l ng bằng cách làm l nh khí hoặc nén làm l nh khí đ ng th i. Có hai ph ơng pháp để ti n hành quá trình ng ng tụ : + Quá trình ng ng tụ gián ti p: (hay còn gọi là ng ng tụ bề mặt ) tức là quá trình ti n hành trong thi t bị trao đ i nhi t có t ng ngăn cách giữa khí và tác nhân làm l nh đi ng ợc chiều nhau . Tác nhân làm l nh cho đi từ d i lên để tránh dòng đ i l u tự nhiên c n tr quá trình chuyển động của l u thể. Khí đi từ trên xu ng để ch t l ng ng ng tụ ch y dọc xu ng tự do và d dàng. + Quá trình ng ng tụ trực ti p (hay còn gọi là ng ng tụ hỗn hợp). Quá ttrình này ti n hành bằng cách cho khí và tác nhân làm l nh ti p xúc trực ti p v i nhau. Tác nhân làm l nh đ ợc phun trực ti p vào trong khí sau đó ng ng tụ l i thành l ng do v y thi t bị ng ng tụ trực ti p th ng không đặt giá trị phân chia cao . Nên ch t l ng ng ng tụ s trộn l n v i tác nhân làm l nh. 2, Đặc điểm của quá trình ngưng tụ Quá trình ng ng tụ nhi t độ th p có thể đ ợc coi là quá trình làm l nh đẳng áp (n u ta b qua một vài t n th t áp su t khi khí chuyển động trong ng và thi t bị công ngh ) cho t i nhi t độ t ơng ứng và áp su t đó thì xu t hi n pha l ng. Khí đ ng hành và khí tự nhiên là một hỗn hợp bao g m nhiều c u từ do đó qúa trình chuyển pha và các vùng t i h n của chúng khác nhau nhiều so v i qúa trình t ơng ứng v i điểm đó là nhi t độ và áp su t t i h n. Khi nhi t độ cao hơn so v i nhi t độ t i h n thì ch t đó s t n t i tr ng thái một pha. Khi đó dù có thay đ i của b t kì t hợp các Phạm Anh Tuấn 11 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí thông s nào thì cũng không thể đ a ch t đó về tr ng thái hai pha đ ợc vì v y mu n hóa l ng khí ta chỉ đ ợc phép ti n hành nhiêt độ t i h n. Ví dụ : Nhi t độ t i h n của CH4 là Tc = 190,55K nh ng v i nhi t độ môi tr ng là Tmt = 298K thì Tc < Tmt. Do đó n u nén khí nhi t độ môi tr ng thì cho dù có tăng áp su t t i 500 atm thì CH 4 cũng không hóa l ng, khi đó ta chỉ thu đ ợc khí CH4 nén. V y để hóa l ng CH4 ta ph i h nhi t độ của CH4 xu ng kho ng 111K (d i nhi t độ sôi của CH4 TsCH4 = 111,6 K v i áp su t khí quyển . Điều này có nghĩa là quá trình hóa l ng một ph n hay toàn bộ khí bằng ph ơng pháp nén chỉ thực hi n đ ợc khi h nhi t độ khí đó xu ng d i nhi t độ t i h n. 3, Quá trình chuyển pha của khí đ ng hành. 3.1 Quá trình chuyển pha đối với khí một cấu tử[4]. Quá trình chuyền pha đ i v i h khí một c u tử ta có thể biểu di n trên trục tọa độ P-T trong đó trục tung là áp su t và trục hoành là nhi t độ. Hình 2: Gi n đồ pha hệ một cấu tử Phạm Anh Tuấn 12 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Đ ng HD, HC và FH là các đ ng cân bằng bao g m t p hợp các giá trị áp su t, nhi t độ, t i đó có cân bằng pha. Điểm H là điểm duy nh t t i nhi t độ và áp su t xác định đ ng th i t n t i ba pha nằm cân bằng v i nhau. T i đ ng cân bằng nhi t độ và áp su t không đ i h có thể chuyển pha bằng cách thêm vào hoặc b t năng l ợng của h . Dọc theo đ ng FH không t n t i pha l ng, và pha rắn thăng hoa thành hơi. Điểm C là điểm t i h n ứng v i nhi t độ t i h n T c và áp su t t i h n Pc thì t i đó các tính ch t của pha l ng và pha hơi tr thành đ ng nh t. Đ i v i đơn ch t điểm t i h n đ ợc định nghĩa: là điểm mà phía trên nó pha l ng không thể t n t i nh một pha độc l p. Hay nói cách khác phía trên điểm t i h n khí không thể bị hóa l ng bằng cách nén áp su t cao. Đ ng HC th ng gọi là đ cong điểm bọt của đơn ch t. ng áp su t hơi hay đ ng cong điểm s ơng và đ ng * Xét quá trình pha đẳng áp của h một c u tử trên hình 3.1. Từ”m”>”n”h tr ng thái rắn. Từ “o” đ n “b”: h tr ng thái l ng, t i “b” h tr ng thái l ng bão hòa. B t kỳ sự cung c p năng l ợng nào cũng làm cho l ng hóa thành hơi nhi t độ và áp su t không đ i. T i “d”: h tr ng thái hơi bưo hòa, ti p tục tăng nhi t độ s nh n đ ợc hơi qúa nhi t . 3.2 Giản đồ pha hệ nhiều cấu tử Đ i v i h nhiều c u tử, vị trí của các đ ng cong trên gi n đ pha phụ thuộc vào thành ph n của hỗn hợp và các đ ng bao pha t o thành không ph i là một mặt phẳng, mà có chiều dày nh hình cái l ỡi v i thành ph n là bi n s ph n ánh chiều dày của đ ng bao pha. Trên hình 3.2a thể hi n gi n đ pha h nhiều c u tử trong đó trục tung là áp su t và trục hoành là nhi t độ. Phạm Anh Tuấn 13 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Hình 3: Gi n đồ pha hệ nhiều cấu tử * Điểm C là điểm t i h n, t i đó hai pha tr thành một pha. * Điểm M là điểm t ơng ứng v i áp su t l n nh t mà t i đó hỗn hợp nhiều c u tử t n t i tr ng thái hai pha. * Điểm N: là điểm t ơng ứng v i áp su t l n nh t mà t i đ hỗn hợp nhiều c u tử t n t i tr ng thái hai pha. Bên trái đ ng cong điểm bọt h t n t i tr ng thái l ng khi bắt đ u ch m t i đ ng cong điểm bọt thì h khí bắt đ u xu t hi n những bọt khí. Khi sang đ ng cong điểm s ơng thì toàn bộ hỗn hợp khí tr thành hơi từ đ ng cong điểm bọt và đ ng cong điểm s ơng là miền mà t n t i cân bằng giữa hai pha l ng và hơi. + Đ ng ABDE: biểu di n quá trình ng ng tụ đẳng nhi t suy bi n điển hình trong các m khí condensate. Điểm A biểu di n pha l ng chặt nằm bên ngoài đ ng bao pha khi gi m áp su t t i điểm B bắt đ u quá trình ng ng tụ. Ti p tục gi m áp su t l ợng l ng hình thành nhiều hơn từ điểm “A” đ n “D” nằm trong miền suy bi n đ ợc t o b i các điểm thay đ i độ d c của các đ ng pha. + Khi ti p tục gi m áp su t ra kh i miền suy bi n đi từ D t i E thì l ợng l ng gi m d n cho t i khi đ t điểm s ơng (E) phía d i điểm E h không t n t i tr ng thái l ng chỉ t n t i tr ng thái hơi. Phạm Anh Tuấn 14 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Điểm t i h n C của hỗn hợp khí hydrocacbon luôn luôn phía bên trái của điểm M và vị trí mà là r t quan trọng vì nó nh h ng đ n sự thay đ i h ng của các đ ng l ng hơi bên trong đ ng bao pha. Điểm t i h n C có thể nằm bên ph i điểm N thể hi n nh hình d i đây. Hình 4a: nh hưởng của thành phần đến đường bao pha của hệ metan propan Hình 4b: Vị trí quỹ tích tới h n của một số hệ bậc 2 Trên hình 3.2b là gi n đ của h b c hai metan-propan cho th y nh h ng của thành ph n đ n hình dáng vị trí của đ ng bao pha thì đ ng cong ngoài cùng là các đ ng áp su t hơi của metan - propan bắt đ u từ điểm t i h n ba đ ng bao pha còn l i là của ba hỗn hợp có tỷ l thành ph n metan - propan khác nhau đ ợc gọi là quỹ tích t i h n. Nh v y vị trí t i h n trên mỗi đ hợp các hydrocacbon. Phạm Anh Tuấn ng bao pha thay đ i theo thành ph n của hỗn 15 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Ngoài ra các t p ch t nh phi hydrocacbon nh : H2O, CO2, H2S, N2 cũng có những nh h ng đáng kể đ n đ ng bao pha của hỗn hợp khí trong điều ki n nhi t độ cao và áp su t th p . - H2S, CO2 làm gi m điểm áp su t cực đ i t n t i l ng hơi của hỗn hợp khí. N2: Làm tăng điểm áp su t cực trị, t n t i l ng hơi hỗn hợp khí và gi m kh năng trộn l n. 4, Hằng số cân bằng pha[1]. Cân bằng pha của hỗn hợp khí không ph i là tr ng thái tĩnh mà là cân bằng động, v n luôn t n t i sự chuyển đ ng của các phân tử từ pha l ng sang pha hơi và ng ợc l i, t c độ bay và t c độ ng ng tụ là bằng nhau. Đ i l ợng đặc tr ng cho sự phân b của các c u tử giữa các pha bằng là hằng s cân bằng pha K đ ợc xác định bằng ph ơng trình : ki  điều ki n cân yi xi Trong đó : yi : là ph n mol của c u tử i trong pha hơi. xi : là ph n mol của c u tử i trong pha l ng. Để xác định hằng s cân bằng pha của h nhiều c u tử có nhiều c u tử có các ph ơng pháp sau. - Ph ơng pháp gi i tích: sử dụng các ph ơng trình tr ng thái khác nhau, tính toán h s fugat và ho t độ của c u tử, để từ đó xác định hằng s cân bằng pha. - Ph ơng pháp gi n đ : là các gi n đ thể hi n các giá trị của K t i áp su t và nhi t độ xác định của từng ch t. Ph ơng pháp này có u điểm là đơn gi n, d xác định, sai s từ 5 ậ 10%. Ph bi n nh t hi n nay là sử dụng các gi n đ NGPA và Neyrey. 5, Phương pháp tính thành ph n lỏng hơi[1] Xét ph ơng trình cân bằng v t li u toàn h : F= V + L V i một c u tử b t kì: Phạm Anh Tuấn F.Ci = V. yi + L. xi 16 Đồ án môn học Trong đó Công nghệ chế biến khí Ci : là ph n mol của c u tử i trong nguyên li u vào tháp tách. yi : là ph n mol c u tử i trong pha hơi. xi : là ph n mol c u tử i trong pha l ng. Ki: hằng s cân bằng pha l ng ậ hơi . F : là t ng s mol nguyên li u. V: là t ng s mol hơi. L: là t ng s mol l ng . Gi sử F = 1. ta có Ci = V.yi + L.xi Đ ng th i, theo định nghĩa hằng s cân bằng pha yi = K.xi, ta có xi  yi  Ci ; L  V.Ki Ci V  ( L / Ki ) T ng ph n mol các c u tử ph i bằng 1, do đó  x   L  V.K Ci  y   V  (L / K ) Ci ; i i i i Bằng ph ơng pháp lặp, chọn các giá trị L và K sao cho các biểu thức trên là đúng. Mặt khác, có thể vi t ∑yi - ∑xi = 0  y   x   V( K  1)  1  0 Ci ( Ki  1) i i i Biểu thức trên là biểu thức t ng quá th trên máy tính. ng đ ợc sử dụng trong l p trình tính toán 6, Quá trình ngưng tụ nhi t độ th p trong ch bi n khí đ ng hành Trong hỗn hợp khí đ ng hành có thành ph n các hydrocacbon khác nhau nh :CH4, C2H6ầDo v y t ơng ứng s có các nhi t độ ng ng tụ khác nhau, do đó quá trình làm l nh s x y ra nh sau: Phạm Anh Tuấn 17 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí + Khi gi m nhi t độ của hỗn hợp khí thì đ n một lúc nào đó của hỗn hợp khí s bắt đ u ng ng tụ(t ơng ứng v i áp su t riêng ph n trong hỗn hợp khí) l n nh t. N u nh các c u tử đ ợc phân b đều trong hỗn hợp ban đ u. Thì các c u tử có nhi t độ ng ng tụ l n nh t s ng ng tụ đ u tiên. Khí hydrocacbon có đăc điểm quan trọng là: chúng hòa tan trong các hydrocacbon l ng, do đó khi chuyển sang pha l ng không chỉ có các c u tử khác có nhi t độ t i h n th p hơn c nhi t độ của hỗn hợp t i th i điểm đó. Ví dụ: Hỗn hợp có 10% mol CH 4 có 90%mol C6H14 trong ng d n khí có thể ng ng tụ hoàn toàn khi làm l nh đ n 10oC v i P = 2MPa. Mặc dù nhi t độ t i h n của CH4 là Tc = 82,6oC. Nh ng khi có mặt propan nó v n chuyển sang pha khí. Trong quá trình ng ng tụ nhi t độ th p, quá trình làm l nh khí chỉ di n ra t i khi đ t đ ợc mức độ ng ng tụ định mức của pha hơi (trong hỗn hợp khí ban đ u) đ ợc xác định bằng mức độ tách c n thi t các c u tử chủ y u ra kh i hỗn hợp . Điều này đ t đ ợc nh nhi t độ làm l nh cu i cùng hoàn toàn xác định ( tức phụ thuộc vào thành ph n của hỗn hợp, áp su t của h ). Nhi t độ này t o đ ợc bằng cách cung c p cho quá trình một l ợng nhi t l nh c n thi t. -Cùng một mức độ ng ng tụ (của hỗn hợp khí ban đ u) có thể đ t đ ợc bằng những t hợp các giá trị nhi t độ và áp su t khác nhau . Khi tăng áp su t trong h tức là tăng áp su t riêng ph n của từng c u tử, mức độ ng ng tụ nhi t độ không đ i s tăng lên và quá trình này cũng s x y ra t ơng tự làm l nh đẳng áp . - Mức độ ng ng tụ các hydrocacbon khi ti n hành trong quá trình đẳng áp và trong quá trình đẳng nhi t. Tuy nhiên, qúa trình ng ng tụ của hai tr ng hợp này l i khác nhau. Cụ thể tr ng hợp đẳng nhi t thì mức độ ng ng tụ tăng nh ng sự phân tách các c u tử hydrocacbon kém. Ng ợc l i đ i v i quá trình đẳng áp. V y: Vi c lựa chọn các thông s t i u cho quá trình ng ng tụ nhi t độ th p phụ thuộc vào thành ph n ban đ u của hỗn hợp khí nguyên li u, mức độ phân tích c u tử chính định tr c là r t quan trọng. Phạm Anh Tuấn 18 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí IV, T ng quan về các công ngh ch bi n khí bằng phương pháp ngưng tụ nhi t độ th p 1. Phân lo i các sơ đ công ngh . Để ch bi n khí theo ph ơng pháp ng ng tụ nhi t độ th p (NNT) có r t nhiều sơ đ công ngh khác nhau. Và ta có thể phân chia chúng dựa vào một s đặc điểm sau đây: - Theo s lo i phân ly cơ b n Theo lo i ngu n nhi t l nh Theo lo i s n phẩm cu i. Theo đó ta có sơ đ phân lo i công ngh ch bi n khí sau đây: Theo mỗi kiểu phân chia thì ta có các sơ đ tiêu biểu sau: + + + + Sơ đ NNT một b c Sơ đ NNT có tách sơ bộ etan Sơ đ NNT có chu trình làm l nh dùng tác nhân l nh hỗn hợp Sơ đ NNT một b c có chu trình làm l nh ngoài bằng propan và etan để nh n C≥2 Phạm Anh Tuấn 19 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí + Sơ đ NNT hai b c có chu trình làm l nh ngoài bằng propan và etan để nh n C≥2 + Sơ đ NNT 3 giai đo n + Sơ đ nhà máy ch bi n khí sử dụng tubin giãn n khí + Sơ đ NNT hai b c có tuabin giãn n khí, ti t l u dòng ch t l ng để nh n C≥3. + Sơ đ NNT một b c để nh n C≥3có chu trình làm l nh t hợp. + Sơ đ NNT hai b c để nh n C≥3 có chu trình làm l nh t hợp (làm l nh ngoài bằng propan và ti t l u dòng ch t l ng). + Sơ đ NNT hai b c để nh n C≥3 có chu trình làm l nh t hợp (làm l nh ngoài bằng propan, ti t l u dòng ch t l ng và tuabin giãn n khí). + Sơ đ NNT ba b c để nh n C≥3 có chu trình làm l nh t hợp. 2. Phân tích lựa chọn công ngh [1] Trong công ngh ch bi n khí bằng ph ơng pháp ng ng tụ nhi t độ th p.Dựa v o s b c tách, kiểu ngu n l nh và cách đ a s n phẩm ra thì ta có các sơ đ công ngh ch bi n khí khác nhau. Theo đó mỗi một lo i công ngh ta đều có những u, nh ợc điểm và ph m vi ứng dụng khác nhau. Để hiểu hơn ta đi xét một s sơ đ công ngh ch bi n khí bằng ph ơng pháp ng ng tụ nhi t độ th p. 2.1, Sơ đồ NNT một bậc để nhận C>3 có chu trình làm lạnh bằng propan và tách sơ bộ etan. Phạm Anh Tuấn 20