Tài liệu Thiết kế quy trình công nghệ làm khô khí trên giàn hải thạch

TRƯỜNG ĐH BÀ RỊA VŨNG TÀU CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA HÓA HỌC & CNTP Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -----o0o----- -----o0o----- NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Nguyễn Tuấn Anh MSSV: 12030043. Ngày, tháng, năm sinh: 04/08/1994. Nơi sinh: Tiền Giang. Ngành: Công nghệ kĩ thuật Hóa học. I. TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế quy trình công nghệ làm khô khí trên giàn Hải Thạch. II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu, so sánh các phương pháp khử nước trong khí: phương pháp hấp thụ, phương pháp hấp thụ. - Thiết kế quy trình công nghệ khử nước phù hợp với giàn Hải Thạch và tính toán thiết bị chính. - Mô phỏng lại quy trình công nghệ trên phần mềm Hysys và so sánh các thông số kỹ thuật. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN: 03/03/2015. IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2015. V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Phó giáo sư, tiến sĩ Nguyễn Văn Thông. Thạc sĩ Nguyễn Văn Toàn. Bà Rịa – Vũng Tàu, Ngày 20 tháng 6 năm 2016 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) TRƯỞNG BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể giảng viên khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Trường đại học Bà Rịa Vũng Tàu đã hỗ trợ và tạo mọi điều kiện để tôi thực hiện đồ án này . Tôi cũng chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Văn Thông và ThS. Nguyễn Văn Toàn đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi để tôi có thể hoàn thành đồ án. Cảm ơn chú Đinh Văn Khoan đã hỗ trợ về tài liệu và giúp đỡ tôi. Cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên và đóng góp ý kiến cho tôi để giúp tôi hoàn thiện đồ án. Bà Rịa – Vũng Tàu, tháng 07 năm 2016 Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Anh Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................. i DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT............................................................................... iii DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ iv DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. v MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU ....................................................................... 2 1.1. Tổng quan về nguồn khí cần làm khô .............................................................. 2 1.1.1. Khái quát về mỏ Hải Thạch và công nghệ xử lý trên giàn ........................ 2 1.1.2. Đặc điểm kỹ thuật của nguồn khí .............................................................. 3 1.2. Sự hình thành hydrat ........................................................................................ 5 1.2.1. Định nghĩa.................................................................................................. 5 1.2.2. Nguyên nhân tạo hydrat ............................................................................. 5 1.2.3. Cấu trúc hydrat .......................................................................................... 6 1.2.4. Tác hại của việc tạo thành hydrat .............................................................. 7 1.3. Giới thiệu về các phương pháp làm khô khí .................................................... 7 1.3.1. Phương pháp hấp thụ ................................................................................. 8 1.3.2. Phương pháp hấp phụ .............................................................................. 10 1.3.3. Đánh giá và lựa chọn phương pháp làm khô khí ..................................... 12 1.4. Cơ sở lý thuyết của phương pháp hấp thụ...................................................... 14 1.4.1. Định nghĩa................................................................................................ 14 1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ ........................................... 16 1.5. Các công nghệ làm khô khí điển hình ............................................................ 22 1.5.1. Công nghệ làm khô khí của hãng SIIRTEC NIGI 2004 .......................... 22 1.5.2. Công nghệ làm khô khí của hãng SIIRTEC NIGI 2006 .......................... 23 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học i Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 1.5.3. Công nghệ làm khô khí của hãng CAMERON ....................................... 24 1.5.4. Công nghệ làm khô khí của hãng SHELL ............................................... 25 1.6. Tổng quan về phần mềm Hysys ..................................................................... 26 1.6.1. Giới thiệu về Hysys ................................................................................. 26 1.6.2. Ứng dụng của Hysys ................................................................................ 37 Chương 2 THIẾT KẾ ............................................................................................. 38 2.1. Yêu cầu thiết kế .............................................................................................. 39 2.2. Lựa chọn thiết bị, thiết kế quy trình công kệ ................................................. 39 2.3. Quy trình công nghệ ....................................................................................... 45 2.3.1. Điều kiện làm việc ................................................................................... 45 2.3.2. Quy trình làm việc của hệ thống làm khô khí bằng TEG ........................ 46 Chương 3 TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ ............................................................. 46 3.1. Thiết bị chính ................................................................................................. 48 3.2. Thiết bị giải hấp thụ ....................................................................................... 55 Chương 4 MÔ PHỎNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ........................................ 56 4.1. Cơ sở dữ liệu mô phỏng ................................................................................. 48 4.2. Mô phỏng quy trình công nghệ làm khô khí .................................................. 60 4.3. Khảo sát kết quả mô phỏng .......................................................................... 648 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 66 PHỤ LỤC ................................................................................................................ 70 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học ii Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MEG Monoethylene Glycol DEG Diethylene Glycol TEG Triethylene Glycol TREG Tetraethylene Glycol mmHg Milimet thủy ngân ppmV Part Per Million Volume MMSCFD Million Standard Cubic Feet Per Day LPG Liquefied Petroleum Gas CNG Compressor Natural Gas LNG Liquefied Natural Gas Sm3 Mét khối khí tiêu chuẩn POC Petroleum Operation Company PR Peng-Robinson GS Grayson Streed ZJ Zudkevitch-Joffee CS Chao Seader Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học iii Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần nguồn khí mỏ Hải Thạch .......................................................4 Bang 1.2. Thông số kỹ thuật nguồn khí .....................................................................4 Bảng 1.3. Các đặc tính hóa lý của MEG, DEG, TEG, TREG ...................................8 Bảng 1.4. Các đặc tính của chất hấp phụ ...................................................................11 Bảng 1.5. So sánh hai phương pháp hấp thụ và hấp phụ ...........................................13 Bảng 1.6. Danh sách các hệ phương trình nhiệt động ...............................................33 Bảng 1.7. Các thuật toán logic trong Hysys ..............................................................37 Bảng 2.1. Các thông số vật lý của thép carbon và thép không gỉ ..............................45 Bảng 2.2. Các điều kiện công nghệ của quá trình khử nước .....................................46 Bảng 3.1. Thành phần nguồn khí mỏ Hải Thạch .......................................................47 Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật nguồn khí .....................................................................48 Bảng 3.3. Tính tỷ trọng của dòng khí ........................................................................50 Bảng 3.4. Quan hệ giữa đường kính và khoảng cách giữa các đĩa chóp ...................52 Bảng 3.5. Xác định chiều dày thân tháp thông quá chiều cao và áp suất ..................53 Bảng 3.6. Tóm tắt các kích thước của tháp hấp thụ...................................................54 Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật của dòng Feed TEG .....................................................60 Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật của tháp Contactor.......................................................60 Bảng 4.3. Thông số kỹ thuật của tháp giải hấp thụ ...................................................61 Bảng 4.4. So sánh giữa dòng Wet Gas và Dry Gas ...................................................63 Bảng 4.5. So sánh về số liệu của dòng Feed TEG, Rich TEG và Lean TEG ............64 Bảng 4.6. So sánh giữa nhiệt độ tạo hydrat lý thuyết và mô phỏng ..........................64 Bảng 4.7. Khảo sát lưu lượng TEG và nhiệt độ tạo hydrat sau hấp thụ ....................64 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học iv Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Vị trí của mỏ Hải Thạch ............................................................................2 Hình 1.2. Sơ đồ xử lý trên giàn Hải Thạch ................................................................3 Hình 1.3. Cấu trúc của hydrat ....................................................................................6 Hình 1.4. Quy trình công nghệ của phương pháp hấp thụ ........................................9 Hình 1.5. Sơ đồ quy trình công nghệ của phương pháp hấp phụ ..............................12 Hình 1.6. Giản đồ pha ................................................................................................16 Hình 1.7. Phương trình truyền chất và phương trình đường nồng độ làm việc.........20 Hình 1.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thụ .........................21 Hình 1.9. Sơ đồ quy trình công nghệ của hãng SIIRTEC NIGI 2004 ......................22 Hình 1.10. Sơ đồ quy trình công nghệ của hãng SIIRTEC NIGI 2006 .....................23 Hình 1.11. Sơ đồ quy trình công nghệ của hãng CAMERON ..................................24 Hình 1.12. Sơ đồ quy trình công nghệ của hãng SHELL ..........................................25 Hình 1.13. Mối quan hệ giữa các môi trường trong Hysys .......................................28 Hình 1.14. Ý nghĩa các biểu tượng trên Object Palette .............................................29 Hình 1.15. Giao diện Simulation Basis Manager ......................................................30 Hình 1.16. Cách truy nhập tạo cấu tử ........................................................................30 Hình 1.17. Giao diện Component List .......................................................................31 Hình 1.18. Giao diện thiết lập các cấu tử giả.............................................................31 Hình 1.19. Giao diện thiết lập tên và đặc điểm của cấu tử giả ..................................32 Hình 1.20. Giao diện hệ nhiệt động ...........................................................................34 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học v Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Hình 1.21. Giao diện chọn gói nhiệt động .................................................................35 Hình 1.22. Giao diện dòng vật chất ...........................................................................36 Hình 1.23. Giao diện dòng năng lượng .....................................................................36 Hình 1.24. Giao diện chọn thiết bị .............................................................................40 Hình 2.1. Thiết bị tách sương dạng lưới ...................................................................41 Hình 2.2. Đĩa lỗ..........................................................................................................42 Hình 2.3. Đĩa van .......................................................................................................43 Hình 2.4. Đĩa chóp .....................................................................................................44 Hình 4.1. Khai báo các cấu tử và phần mol các cấu tử..............................................58 Hình 4.2. Khai báo các thong số kỹ thuật của dòng khí ............................................59 Hình 4.3. Sự chênh lệch áp suất qua van ...................................................................59 Hình 4.4. Sự chênh lệch áp suất qua thiết bị trao đổi nhiệt .......................................60 Hình 4.5. So sánh giữa dòng TEG trước và sau giải hấp ..........................................61 Hình 4.6. So sánh giữa dòng Wet Gas và Dry Gas....................................................61 Hình 4.7. So sánh giữa dòng Feed TEG và Rich TEG ..............................................62 Hình 4.8. Xác định nhiệt độ tạo hydrat dòng Wet Gas ..............................................63 Hình 4.9. Nhiệt độ tạo hydrat của dòng Dry Gas ......................................................64 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học vi Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT MỞ ĐẦU Khí tự nhiên và khí đồng hành khi được khai thác từ các giếng thường bão hòa hơi nước, chính lượng hơi nước này sẽ làm tăng hàm ẩm trong khí, cùng với nhiệt độ và áp suất sẽ quyết định khả năng hình thành các khối hydrat và sự ăn mòn đường ống, thiết bị và van [5],[10],[18]. Do đó trước khi được vận chuyển vào bờ dòng khí sẽ được khử nước. Để loại bỏ hàm ẩm của khí ta có nhiều phương pháp như dùng chất ức chế, làm lạnh, phương pháp hấp thụ, phương pháp hấp phụ,…[5],[23]. Theo các bài báo khoa học gần đây, phương pháp hấp thụ được sử dụng rộng rãi và phổ biến, nhờ các ưu điểm của nó như thiết kế đơn giản, hiệu suất khử nước tốt, chi phí đầu tư và vận hành thấp [6], [8], [9]. Do đó, đề tài tốt nghiệp “Thiết kế quy trình công nghệ làm khô khí trên giàn Hải Thạch” được thực hiện nhầm góp phần xây dựng cơ sở lý thuyết và quy trình công nghệ để khử nước đặt trên giàn với giới hạn về khối lượng và khoảng không phù hợp nhất với giàn Hải Thạch [1], [2]. Mục tiêu của đề tài là thu thập cơ sở lý thuyết của quá trình hấp thụ sau đó thiết kế một quy trình công nghệ khử nước nhưng quy trình này sẽ tối giản nhất về kích thước và khối lượng mà vẫn bảo đảm khả năng khử nước với hiệu suất cao và sau cùng là mô phỏng và đánh giá lại hiệu suất khử nước. Nội dung nghiên cứu của đề tài gồm có: - Thu thập cơ sở lý thuyết và thông số kỹ thuật của nguồn khí cần làm khô. - Thu thập, phân tích cở sở lý thuyết về các phương pháp làm khô khí. - Nghiên cứu, đánh giá các hệ thống làm khô khí đang được sử dụng. - Thiết kế, tính toán hệ thống làm khô khí. - Mô phỏng lại quá trình khử nước trên Hysys. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 1 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan về nguồn khí cần làm khô 1.1.1. Khái quát về mỏ Hải Thạch và công nghệ xử lý trên giàn Mỏ Hải Thạch là mỏ khí-condensate nằm trong dự án Biển Đông 1 của Biển Đông POC thuộc lô 05.2 tại bể Nam Côn Sơn, có vị trí cách bờ khoảng 340 km về phía Nam. Khí được khai thác ở mỏ sẽ được dẫn chung vào đường ống Nam Côn Sơn đưa về trạm tiếp nhận và phân phối khí Dinh Cố [1]. Hình 1.1. Vị trí của mỏ Hải Thạch Mỏ Hải Thạch có thời gian khai thác 25 năm với công suất 8.5 triệu m3 khí và 25 ngàn thùng condensate mỗi ngày [3], mỗi năm cung cấp khoảng hai tỷ m3 khí năm, góp Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 2 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 5% GDP cho đất nước, ngoài ra còn bảo đảm an ninh năng lượng cho Việt Nam trong thời gian tới. Bên cạnh, ta phải xét đến khối lượng khổng lồ của giàn: Giàn đầu giếnh Hải Thạch có khối lượng gần 10 000 tấn và giàn xử lý có khối lượng gần 21 000 tấn. Fuel Gas Acid Gas Treatment End Flash Gas Well Reception Acid Gas Dehydration Liquefaction Removal Natural Gas Fractionanation Condensate Stabilisation LPG C4 and C3 Condensate C5+ Hình 1.2. Sơ đồ xử lý trên giàn Hải Thạch [3] Hình 1.2 thể hiện các công đoạn xử lý khí trên giàn Hải Thạch, khí được khai thác từ dưới giếng sẽ được dẫn đến trạm tiếp nhận, tại đây hệ thống tách condensate-khí sẽ làm nhiệm vụ phân tách nguồn đầu vào ra thành dòng khí và dòng condensate, dòng condensate sau đó sẽ qua hệ thống ổn định condensate cho phù hợp các đặc tính hóa lý cũng như kỹ thuật và đưa vào bồn chứa, còn dòng khí sau đó sẽ đi qua hệ thống làm ngọt khí, loại bỏ các khí chua như CO2, H2S,… tiếp theo dòng khí sẽ được dẫn qua hệ thông làm khô khí để loại bỏ lượng hơi nước bão hòa còn lẫn trong khí. Và sẽ được dẫn vào bờ và chuẩn bị cho các công đoạn chế biến như khí CNG, LNG, LPG và nguồn khí này cũng đã đáp ứng các yêu cầu cho khí nguyên liệu [6]. 1.1.2. Đặc điểm kỹ thuật của nguồn khí Bên cạnh biết được các công đoạn của quy trình công nghệ xử lý khí trên giàn, ta cũng cần phải biết các thông số kỹ thuật cũng như thành phần nguồn khí để phục vụ cho việc thiết kế tháp hấp thụ làm khô khí [3]. Thông số kỹ thuật của nguồn khí khai thác. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 3 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Bảng 1.1. Thành phần nguồn khí mỏ Hải Thạch [1], [2] STT Thành phần khí % Mole 1 Metane 0.8855 2 Etane 0.0545 3 Propane 0.0294 4 i-butane 0.0068 5 n-butane 0.0088 6 i-pentane 0.0032 7 n-pentane 0.0021 8 n-pentane 0.0025 9 C7+ 0.0020 10 H2 O 0.0020 11 N2 0.0032 Các thông số kỹ thuật của nguồn khí sẽ quyết định các thông số công nghệ của các thiết bị trong hệ thống, nên dòng khí trước khi đưa vào hệ thống sẽ được đo các thông số như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng. Các thông số được thể hiện trong bảng 1.2. Bảng 1.2. Thông số kỹ thuật nguồn khí [3] Nhiệt độ (oC) 38 Áp suất (kPa) 6200 Lưu lượng (MMSCFD) 378.5 Tỷ trọng (kg/m3) 32.08 Đây là dòng khí được tách từ mỏ khí-condensate (khí ngưng tụ) nên thành phẩn chủ yếu là khí metan (0.8855 %mole), bên cạnh đó cũng có dãy đồng đẳng của hydrocarbon từ propane cho đến decane nhưng chiếm hàm lượng thấp. Đồng thời cũng có chứa một lượng hơi nước bão hòa và khí acid. Vì dòng khí đã qua hệ thống quy trình làm ngọt khí trước đó, nên ta xem xét hàm lượng các khí chua vào tháp hấp thụ là không có. Nên ta kết luận khí vào tháp hấp thụ là khí khô, ngọt (hàm lượng khí chua vì H2S < 1% thể tích, CO2 < 2% thể tích) [18], nguồn khí là khí gầy (chứa ít các hydrocarbon nặng) [18], nhưng lượng nước trong khí ở mức cao do đó khả năng hình thành hydrat là rất cao. Vì vậy, nơi đến tiếp theo của dòng khí sẽ là hệ thống làm khô khí. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 4 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 1.2. Sự hình thành hydrat 1.2.1. Định nghĩa Hydrat có tên khoa học là Natural Hydrate hoặc Gas Hydrate, đó là chất ở dạng rắn hình thành từ khí thiên nhiên và nước ở điều kiện áp suất cao (trên 30 atm) và nhiệt độ thấp (dưới 0oC). Hydrat có các phân tử cấu trúc chủ yếu là mạng tinh thể kết tinh từ các phân tử nước, bên trong chứa các phân tử khí. Các ô tạo thành mạng tinh thể chặt khít, cấu trúc của hydrat giống như cấu trúc của băng nhưng khác là các phân tử khí nằm trong các ô tinh thể và giữa chúng không có liên kết nào. Nhìn bên ngoài hydrat giống như băng và dùng que diêm đốt thì hydrat cháy [18]. Tính chất vật lý của hydrat: - Hydrat giống như tuyết được ép lại với nhau. - Màu của hydrat có thể thay đổi từ trắng đến xám phụ thuộc vào thành phần tập chất có trong thành phần. - Hydrat có khối lượng riêng là 0.8-0.24 g/cm3. - Tinh thể hydrat có độ bền cơ học, tính đàn hồi cao và độ thẩm thấu nhỏ. Thực nghiệm cho thấy: để phá hủy hoàn toàn một mol hydrat metan cần 14.5 Kcal; với các đồng đẳng của metane từ C2+ trờ lên thì nhiệt lượng cần cung cấp cũng tăng lên theo khối lượng phân tử và đạt tới 32 Kcal. 1.2.2. Nguyên nhân Ba điều kiện để sự hình thành hydrat diễn ra [5]: - Nước tự do, nước ngưng tụ hay hàm ẩm trong dòng khí, tùy thuộc vào hàm ẩm khác nhau sẽ ãnh hưởng đến nhiệt độ và áp suất tạo thành hydrat. - Áp suất cao, đối với dòng khí có hàm lượng nước càng lớn thì nhiệt độ tạo thành hydrat càng cao và ngược lại. - Nhiệt độ thấp, với dòng khí ở một nhiệt độ xác định, áp suất tạo tinh thể hydrat tăng khi hàm lượng nước tăng và ngược lại. Dựa vào các nguyên nhân trên ta sẽ có các giải pháp để tránh tạo thành hydrat: - Loại bỏ lượng hơi nước bão hòa lẫn trong khí, vì nước là một yếu tố quan trọng trong việc hình thành hydrat. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 5 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT - Hạn chế việc tăng áp suất trong quá trình vận chuyển, điều này không khả khi vì khi vận chuyển từ giàn vào bờ bắt buộc phải tuân theo thông số áp suất, áp suất đa phần phải cao để dễ dàng vận chuyển. - Nhiệt độ phải cao, vậy đòi hỏi phải gia nhiệt cho đường ống hay tăng nhiệt độ dòng khí, điều này không khả thi và gây nguy hiểm cho quá trình vận hành của công nhân. Do đó xét về mặt kinh tế và khả thi của quy trình thì phương án loại bỏ lượng hơi nước bão hòa là phù hợp và thuận lợi hơn cả. 1.2.3. Cấu trúc hydrat Hình 1.3. Cấu trúc của hydrat [9] Về cấu trúc các tinh thể hydrat có hai loại ô mạng cơ sở như hình 1.2 [9] Các chấm tròn chỉ các phân tử nước, các đoạn thẳng chỉ liên kết hydro. Bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen đã cho thấy cấu trúc tinh thể hydrat có dạng 12 mặt, mỗi mặt là hình 5 cạnh. Cấu trúc này có thể biến đổi thành dạng 14 mặt và 16 mặt. - Dạng cấu trúc 1 có hằng số mạng là 12 A, chứa 46 phân tử nước sắp xếp hình thành 8 lỗ trống trong đó có 2 lỗ trống dạng 12 mặt, 6 lỗ trống còn lại dạng 14 mặt. Ở dạng này thì các phân tử khí metane có thể chui vào. - Dạng cấu trúc 2 có 16 mặt, có hằng số mạng là 17 A. Ô mạng cơ sở chứa 136 phân tử nước, với cấu trúc chứa 16 lỗ trống nhỏ dạng 12 mặt và 8 lỗ trống lớn dạng Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 6 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 12 mặt. Ở dạng cấu trúc này có thể bẫy được các phân tử lớn như propane, n-butane, izo-butane. Một số hydrat điển hình: CH4.5,9H2O; C2H6.8,2H2O; C3H8.17H2O; izoC4H10.17H2O,… 1.2.4. Tác hại của việc tạo thành hydrat Tắc nghẽn: ở điều kiện phù hợp (nhiệt độ, áp suất) sự hình thành hydrat diễn ra sẽ tạo ra các nút cản trở sự vận chuyển khí trên đường ống, làm hẹp khoảng không di chuyển. Một khối hydrat đã hình thành thì rất khó khăn cho việc khắc phục sự cố vì các khối hydrat rất cứng. Giải pháp tốt nhất hiện nay để loại bỏ khối hydrat chính là hệ thống phóng thoi thông minh [23]. Nổ: việc tạo thành các nút sẽ làm tăng áp suất trong ống, dẫn đến nổ ống dẫn khí. Các vụ nổ ống dẫn dầu-khí là các vấn đề nghiêm trọng, không những gây thiệt hại lớn về tài chính: thất thoát nguồn nguyên liệu, gián đoạn việc cung cấp nguyên liệu cho các khu công nghiệp. Bên cạnh, ảnh hưởng nghiệm trọng đến môi trường biển, gây chết hàng loạt các động vật biển và bỏ ra hàng tỷ đô-la để khắc phục sự cố [23]. Do đó, phòng thì lúc nào cũng dễ dàng hơn là khắc phục hậu quả và để giảm thiểu cũng như tránh các tác hại trên, tốt nhất ta nên tuyệt đối không để việc hình thành hydrat. 1.3. Giới thiệu về các phương pháp làm khô khí Nước tồn tại trong khí chủ yếu dưới dạng hơi bão hòa. Mục đích của việc loại bỏ nước trong khí tự nhiên là để làm giảm sự hư hại ống do ăn mòn và tránh tắc nghẽn đường ống do việc tạo thành hydrat. Trong một vài trường hợp, quá trình khử nước nhằm mục đích đáp ứng thông số kỹ thuật được quy định sẵn cho các quá trình sau xử lý hoặc thu hồi các sản phẩm lẫn trong nước. Quá trình khử nước có thể được tiến hành bằng nhiều phương pháp tiêu biểu đó là: phương pháp hấp thụ và phương pháp hấp phụ. Bên cạnh nếu chúng ta không dùng hệ thống làm khô khí, ta còn có thể sử dụng các chất ức chế họ amine: DEA, TEA,… để làm giảm sự hình thành hydrat trên đường ống, nhưng cần một hệ thống phụ trợ để tách chất ức chế ra khỏi dòng khí [7], [10], [13]. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 7 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 1.3.1. Phương pháp hấp thụ Sự khử nước bằng phương pháp hấp thụ được diễn ra khi có sự tiếp xúc giữa khí ẩm và dung môi, những dung môi này phải có ái lực hóa học cao với nước và được biết đến như các chất làm khô dạng lỏng. Các chất làm khô hấp thụ nước và trở nên ẩm hơn vì chứa nước. Và sau đó các chất làm khô sẽ được giải hấp bằng phương pháp gia nhiệt để hoàn nguyên lại chất làm khô ban đầu và quay trở quy trình lại tiếp tục quá trình hấp thụ. Dung môi hấp thụ phải có các đặc tính sau: [5] - Có ái lực cao với nước và có ái lực thấp với các hydrocarbon - Độ nhớt thấp để thuận lợi cho việc bơm và sự tiếp xúc dễ dàng giữa dung môi và khí. - Khả năng bền nhiệt tốt để chắc rằng quá trình phân hủy dung môi hấp thụ không diễn ra ở nhiệt độ cao, đồng thời hiệu quả thu hồi dung môi cao. - Thế điện cực ăn mòn thấp. - Có độ bay hơi thấp tại nhiệt độ hấp thụ: giảm mất mát dung môi. - Rẻ tiền và dễ dàng tái sử dụng. - Không độc hại với con người, môi trường. Các chất làm khô dạng lỏng được dung phổ biến trong quá trình hấp thụ đó là glycol: monoethylene glycol (MEG), diethylene glycol (DEG), triethylene glycol (TEG) và tetraethylene glycol (TREG) [6]. Bảng 1.3. thể hiện các thông số quan trọng của những dung môi trên: Bảng 1.3. Các đặc tính hóa lý của MEG, DEG, TEG, TREG [7] Glycol MEG DEG TEG TREG C2H6O2 C4H10O4 C6H14O4 C8H18O5 Khối lượng nguyên tử, g/mol 62 106 150 194 Nhiệt độ sôi (760 mmHg), oC 197 245 288 329 Nhiệt độ đông đặc, oC -13.4 -9.0 -4.3 -4.0 Tỷ trọng, g/cc (ở 20oC) 1.115 1.118 1.125 1.124 Độ nhớ động học, cP 16.9 35.7 49.0 58.3 Nhiệt độ phân hủy, oC 240 162 206 226 Công thức phân tử Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 8 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Bên cạnh glycol còn có các đặc tính nổi bật sau [5], [10]: - Ethylene glycol được sử dụng khi trong khí có chứa hàm lượng nước biển cao, tính tan của NaCl trong MEG là 20wt % còn các glycol khác chỉ khoảng 5wt%, khả năng bay hơi cao gây mất mát, thất thoát dung môi, khả năng loại nước thấp nhất. - Diethylene glycol được sử dụng khi lượng hơi nước bão hòa đạt đến một yêu cầu và kết hợp thêm dùng chất ức chế trên đường ống và đôi khi DEG được dùng trong thời tiết hơi lạnh vì nó có độ nhớt thấp. - Triethylene glycol là chất hấp thụ được dung phổ biến nhất trong quá trình khử nước, nó được dung phổ biến bới các lý do sau: tiến hành giải hấp đến nồng độ cao mà không bị phân hủy, ít bay hơi, loại nước tốt, triệt để mà không cần có hệ thống phụ. - Tetraethylene glycol được sử dụng khi nhiệt độ làm việc của tháp hấp thụ trên 500C, giá thành đắt và độ nhớt cao dẫn đến sự tiếp xúc không tốt giữa dòng khí và dung môi cũng như tiêu tốn nhiều năng lượng cho việc bơm, một hạn chế nửa là TREG tiêu tốn nhiều năng lượng để hoàn nguyên. Dựa vào các yếu tố kinh tế, năng lượng, chi phí lắp đặt vận hành, thì TEG tỏ ra hiệu quả nhất, vì TEG rẻ, dễ hoàn nguyên ở nhiệt độ trung bình, khử nước hiệu quả, ít thất thoát trong quá trình vận hành. Hình 1.4. Quy trình công nghệ của phương pháp hấp thụ [6] Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 9 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Dòng khí ẩm sẽ đi vào ở đáy tháp Absorber, đồng thời dòng glycol sẽ đi vào ở đỉnh tháp hai dòng chảy ngược chiều nhau làm tăng quá trình truyền khối. Sau đó, khí khô sẽ ra khỏi tháp ở đỉnh còn dòng glycol ẩm sẽ được dẫn qua thiết bị giảm áp và tách các hydrocarbon bị lẫn vào glycol tiếp theo dòng glycol ẩm sẽ vào thiết bị giải hấp thụ, dựa trên tác động của nhiệt độ hơi nước trong glycol sẽ bay hơi và ta thu được dòng glycol nồng độ cao ban đầu, dòng glycol này sẽ được dẫn trở lại tháp Absorber để quá trình khử nước được diễn ra một cách liên tục. - Thiết kế quy trình hệ thống đơn giản. - Thiết bị đơn giản, gọn ít tốn khoảng không. - Dễ dàng tự động hóa. Tuy vậy nhưng vẫn loại bỏ tốt hàm lượng hơi nước bão hòa theo yêu cầu. 1.3.2. Phương pháp hấp phụ Quá trình hấp phụ là quá trình mà các chất làm khô rắn được sử dụng để loại nước hoặc hơi nước trong khí. Có hai loại hấp phụ: hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý. Hấp phụ hóa học được định nghĩa dựa vào các phản ứng hóa học đó là các liên kết bề mặt như liên kết ion, liên kết cộng hóa trị,…các liên kết này bền vững nên khó khăn cho việc hoàn nguyên chất hấp phụ, do đó hấp thụ vật lý được ứng dụng cao hơn. Hấp phụ vật lý dựa vào các liên kết vật lý như: lực Vandervan, lực liên kết hydro,…[15] Chất hấp phụ có những đặc tính sau: - Tỷ lệ bề mặt và thể tích cao. - Rẻ và dễ dàng tái sinh. - Độ chọn lọc cao. - Có độ bền cơ học cao, không bị bể, vỡ vụn. - Không độc hại với con người và môi trường, chịu được ăn mòn. - Các chất phổ biến được dung trong quá trình hấp phụ là: Silica gel (SiO2), aluminum dioxide (Al2O3) và các chất rây phân tử (Zeolite 4A),… Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 10 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Bảng 1.4: Các đặc tính của chất hấp phụ [10] Property Silica gel Activated alumina Zeolite 4A Hình dạng Hình cầu Hình cầu Dạng viên Tỷ trọng, kg/m3 720-780 750-850 720-780 Nhiệt độ tái sinh, oC 250-280 160-220 200-315 Diện tích bề mặt, m2/g 650-830 210-360 600-800 Thể tích xốp, cm2/g 0.36-0.43 0.2-0.4 0.28 Kích thước hạt, mm 2-5 3,5,6 1.6,3.2,6 10-20 5-10 0.1 Độ ấm tối thiểu của hạt - Silica gel: có ái lực với nước cao và được dùng phổ biến khi nồng độ nước trong khí rất là cao (>1 mol %), dòng khí sau xử lý có thể đạt đến điểm sương là -51oC và lượng nước trong khí xuống còn 0.034 g/m3. Silica gel có khả năng chống chịu axit mạnh nên đặc biệt hiệu quả khi dòng khí có nồng độ khí axit cao [7]. - Alumina là một chất hình thành trong tự nhiên, là hợp chất phân cực, lôi cuốn một cách mạnh mẽ khí axit và nước. Alumina thì thích hợp sự loại nước với mức độ vừa của nước. Alumina có độ bền cơ học cao nhất, cao hơn silica gel và hợp chất rây phân tử. Dòng khí sau xử lý có thể đạt đến điểm sương là -68oC [6], [7]. - Hợp chất rây phân tử: rất phổ biến cho quá trình khử nước, dòng khí sau xử lý điểm sương có thể đạt đến -184oC và hàm lượng ẩm trong khí chỉ còn 0.0001 g/m3. Nhưng nhiệt độ tái sinh của các hợp chất rây phân tử lại cao từ 200-315oC và giá thành cũng đắt hơn so với silica gel và alumina [6]. Cả ba loại chất hấp phụ trên đều được ứng dụng trong đời sống thực tế nhưng với quy mô khác nhau. Silicagel được ứng dụng nhiều trong các phòng thí nghiệm, các quy trình với quy mô nhỏ và trung bình. Còn Zeolite được xem như là phát minh vượt bậc bởi các lợi thế nổi bật của nó với diện tích bề mặt cao, độ chọn lọc rất cao. Alumina được sử dụng nhiều trong nghiên cứu, diện tích bề mặt cao nhưng không bằng zeolite có điều là giá thành thì selicagel và alumina rẻ hơn. Do đó, tùy thuộc vào mục đích khử nước, mục đích sử dụng cũng như quy mô của hệ thống mà ta sẽ chọn chất hấp phụ cho phù hợp nhất. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 11 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Hình 1.5 Sơ đồ quy trình công nghệ của phương pháp hấp phụ [8] Quy trình công nghệ gồm hai tháp đặt song song với nhau. Một tháp làm nhiệm vụ hấp phụ trong khi tháp còn lại làm nhiệm vụ giải hấp phụ, cứ như thế luân phiên với nhau. Giai đoạn hấp phụ nước: Khí ẩm sẽ qua thiết bị tách sơ bộ trước khi vào tháp hấp phụ. Trong tháp hấp phụ là các lớp đệm chứa chất hấp phụ, dòng khí đi qua các lớp đệm và nước sẽ được giữ lại, khí khô sẽ ra đáy tháp và được dẫn cho mục đích tiếp theo, một phần khí khô này sẽ được trích là để làm nguyên liệu cho lò đốt. Giai đoạn giải hấp phụ: Lò đốt sẽ dung khí khô để đốt, gia nhiệt hơi nước quá nhiệt lên 300oC và được đưa vào dưới đáy tháp hấp phụ, dòng hơi nước quá nhiệt sẽ lôi kéo và làm bay hơi các phân tử nước bị hút bởi chất hấp phụ, dòng hỗn hợp khi ra ở đỉnh tháp sẽ được làm mát để nước ngưng tụ lại. - Quy trình công nghệ này có khả năng khử nước rất cao. - Nhưng cần đến hai tháp, chiếm diện tích lớn và chi phí xây dựng cao. - Bên cạnh cũng cần nhiều thiết bị phụ trợ: thiết bị làm mát, lò đốt,… - Khi muốn thay thế chất hấp phụ thì phải dừng hệ thống. 1.3.3. Đánh giá và lựa chọn phương pháp làm khô khí Có nhiều yếu tố cần chú ý đến khi so sánh hai phương pháp hấp thụ và hấp phụ được sử dụng để làm khô khí. Trong đồ án này, ta xem xét và lựa chọn phương pháp dựa trên ưu điểm và nhược điểm cũng như lợi ích về kinh tế và tiết kiệm khoảng không. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 12 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm