Quá trình làm ngọt khí sử dụng MEA

I) ĐẶT VẤN ĐỀ: Hằng ngày, chúng ta sử dụng rất nhiều khí trong công nghiệp hóa dầu hay làm chất đốt… Khí đó được lấy chủ yếu từ nguồn khí tự nhiên, khí đồng hành, hay khí tổng hợp. Tuy nhiên những nguồn khí đó chưa thể sử dụng ngay được mà cần phải trải qua quá trình xử lý (hay loại bỏ các tạp chất…) vì ngoài thành phần chính là các khí Hydrocacbon thì khí đồng hành còn có chứa các thành phần khác như H2S, CO2, N2 ….. chúng gây ăn mòn thiết bị, ảnh hưởng đến các quá trình chế biến sau. Vì vậy quá trình khử chua (loại H2S , CO2 ) là rất quan trọng trong việc xử lý khí. Để hiểu rõ hơn về vấn đề, em đã chọn đề tài làm ngọt khí sử dụng MEA để nghiên cứu. II) GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Thành phần của khí tự nhiên và khí đồng hành Bảng 1: Thành phần khí ở bể Cửu Long (% theo thể tích) (1) Bảng 2: Thành phần khí ở bể Nam Côn Sơn (% theo thể tích) (1) Bảng 3: Thành phần khí ở bể Malay-Thổ Chu (% theo thể tích) (1) Ảnh hưởng của H2S, CO2 tới thiết bị, môi trường Ảnh hưởng của H2S + H2S gây ăn mòn đường ống và thiết bị. + Làm ngộ độc xúc tác. + Cháy tạo SO2 gây ô nhiễm môi trường. - Ảnh hưởng của CO2: CO2 là oxit axit, nó gây ăn mòn thiết bị, đồng thời khi vận chuyển nó dể gây lắng động paraffin. CHLB Nga quy định hàm lượng H2S < 22mg/m3. Còn CO2 không quy định cụ thể. Ở Mỹ, H2S < 5,7% và CO2 <2% thể tích. => ta cần phải loại bỏ H2S và CO2 xuống hàm lượng cho phép. 3) Phương pháp làm ngọt khí ( loại H2S và CO2) Trong công nghiệp chủ yếu dùng phương pháp hấp thụ để làm sạch khí khỏi H2S và CO2 . tùy thuộc vào hàm lượng các tạp chất axit mà người ta sử dụng các dung môi hấp thụ khác nhau. Các chất hấp thụ cần thõa mãn các yêu cầu sau: +Có tính hấp thụ chọn lọc (đây là tính hất quan trọng nhất) +Độ nhớt của chất hấp thụ nhỏ +Nhiệt dung riêng bé, tiêu tốn ít năng lượng cho quá trình tái sinh +Nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt độ sôi của cấu tử bị hấp thụ. Nhờ vậy dể dàng tái sinh bằng phương pháp chưng cất (nhả hấp thụ). + Nhiệt độ đóng rắn thấp, không bị đóng rắn ở nhiệt độ làm việc. + Không tạo thành kết tủa khi hấp thụ + Ít bay hơi, mất mát ít trong quá trình tuần hoàn chất hấp thụ. +không độc, không gây ô nhiễm môi trường, không ăn mòn thiết bị. Bảng 4: các dung môi hay sử dụng và đặc tính của các dung môi hấp thụ khí (2) Trong quá trình hấp thụ hóa học, đáng chú ý nhất là dung môi MEA. Phương pháp này đã được sử dụng từ năm 1930, hiện nay sử dụng rất rộng rãi. Để làm sạch khí ta dung MEA ở 15-20% trong nước, ta không sử dụng ở nồng độ cao hơn vì khi hấp thụ, các axit với nồng độ bão hòa cao hơn sẽ làm tăng tính ăn mòn của thiết bị. Gần đây người ta có thêm chất ức chế ăn ăn mòn nên có thể sử dụng với nồng độ lên tới 30%. Ưu điểm của phương pháp này là khả năng phản ứng cao, ổn định, dễ tái sinh. b) cơ sở của phương pháp cơ sở của phương pháp là các phản ứng : 2HOCH2 CH2NH2 + CO2 + H2O => (HOCH2CH2NH 2)2 CO3 2HOCH2 CH2NH2 + H2S => (HOCH2CH2NH 2)2 S Quá trình hấp thụ H2S và CO2 bằng MEA xảy ra ở áp suất cao và ở nhiệt độ 25-40oC, còn tái sinh MEA thực hiện ở áp suất khí quyển ở nhiệt độ 150oC. c) Nguyên lý hoạt động c.1) Công nghệ hấp thụ 1 cấp: phương pháp hấp thụ sử dụng MEA chỉ thích hợp xử lý khí khi nồng độ các tạp chất H2S và CO2 nằm trong khoảng 0,5-2,5% thì mới đạt hiệu quả cao. Vì vậy khí nếu có hàm lượng H2S và CO2 lớn hơn 2…2,5% mol thì trước khi đi dùng monoetanolamin hấp thụ cần sử dụng các chất hấp thụ rẻ tiền như Na2CO3 và K2CO3 làm sạch khí sơ bộ và giảm nồng độ xuống 2..2,5%mol. Sau đó mới dùng MEA làm sạch xuống độ sạch yêu cầu nhỏ hơn 0,5%. Hình1: sơ đồ nguyên lý công nghệ hấp thụ bằng MEA 1 cấp (1) 1-Tháp hấp thụ, 2,3,4-Thiết bị phân ly, 5,6- thiết bị làm nguội bằng không khí 7,8-thiết bị làm lạnh bằng nước, 9-thiết bị trao đổi nhiệt, 10-thiết bị nhả hấp thụ, 11-bộ phân đun nóng, I-Khí nguyên liệu, II-Khí sạch(khí ngọt), III-dung môi bão hòa, IV-khí phân ly, V-Dung môi đã nhả hấp phụ một phần, VI-Khí axit, VII-dung môi đã tái sinh tuần hoàn trở lại thiết bị hấp thụ. Nguyên tắc hoạt động được miêu tả trên hình vẽ, các mũi tên chỉ chiều đi của khí hoặc dung môi: Quá trình làm sạch được thực hiện trong tháp hấp thụ và các thiết bị phu trợ. Khí được dẫn vào từ phần dưới của tháp, dòng khí chuyển động từ dưới lên. Còn dung dịch sạch monoetanolamin đi từ trên xuống. Khí đã được làm sạch lấy ra từ đỉnh tháp, dung dịch sau khi hấp thụ chứa H2S và CO2 sẽ được tháo ra đáy tháp. Dung dịch này được đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt sau đó đưa vào tháp nhả hấp thụ, giải phóng khí ra ở đỉnh tháp còn dung dịch đã hấp thụ tái sinh được lấy ra ở đáy tháp. c.2) Công nghệ hấp thụ 2 cấp BASF Hình 2: sơ đồ nguyên lý công nghệ hấp thụ bằng MEA 2 cấp BASF (4) Nguyên tắc hoạt động: về cơ bản cũng tượng tự sơ đồ 1 cấp, tuy nhiên công nghệ 2 cấp giải hấp dựa vào sự giảm áp suất, chưng tái sinh dung môi. Phần dung dịch đi vào tháp hấp thụ có 2 loại là dung dịch nghèo và bán nghèo. Dung dịch bán nghèo (còn 1 lượng đáng kể CO2 và H2S ) tức là dung dịch chưa quá tái sinh bằng chưng cất, dòng này dùng để hấp thụ khí giàu CO2 và H2S. Dung dịch nghèo (dung dịch đã đi qua thiết bị tái sinh bằng chưng cất) dùng để tách loại H2S và CO2 còn lại trong khí. Sử dụng sơ đồ công nghệ 2 cấp hiệu quả hơn so với sơ đồ 1 cấp. Làm giảm lượng nhiệt cần dùng cho quá trình nhả hấp thụ. d) Điều kiện làm việc của tháp Nhiệt độ Trong các phản ứng trên, MEA phản ứng với CO2 chậm hơn so với H2S ở nhiệt độ thấp, tuy nhiên khi nhiệt độ cao thì lại thuận lợi cho phản ứng nghịch (phản ứng nhả hấp thụ) vì vậy quá trình duy trì ở nhiệt độ thấp, nhiệt độ này có thể tính toán được dựa vào động học và nhiệt động học của phản ứng. Các phản ứng hấp thụ là các phản ứng tỏa nhiệt mạnh ngược lại với quá trình nhả hấp thụ. Vì vậy ở tháp hấp thụ cần có hệ thống trao đổi nhiệt để đảm bảo không bị quá nhiệt, thuận lợi cho phản ứng nhả hấp thụ. Và ở tháp nhả hấp thụ cần cung cấp nhiệt để tạo điều kiện cho phản ứng nhả hấp thụ xảy ra. Nồng độ và áp suất làm việc Nồng độ MEA thường đạt 15-20% về khối lượng, ngày nay có thêm chất ức chế ăn mòn thì có thể tăng nồng độ lên 30%. Mức độ bão hòa khí axit của MEA là ),3-0,4mol/l MEA(3) . Quá trình làm ngọt khi áp suất riêng phần của các khí <0,6-0,7MPa. e) Đánh giá ưu nhược điểm của quá trình làm ngọt khí bằng MEA: Ưu điểm: +MEA có khả năng phản ứng cao, ổn định và dễ tái sinh, công nghệ, thiết bị đơn giản. +Quá trình tách có thể sử dụng để tách triệt để H2S và CO2 ra khỏi khí đồng hành. +Có thể vận hành ở áp suất hấp thụ không cao lắm +Dung dịch monoetanolamin hấp thụ H2S và CO2 tốt nhưng khó hấp thụ hydrocacbon. Điều này rất có lợi Nhược điểm Mức độ bão hòa axit của MEA thấp, chi phí vận hành cao, một vài tập chất như COS, CS2 khi bị MEA hấp thụ thì khó để nhả hấp làm mất hoạt tính hấp thụ. Năng lượng cần cho việc tái sinh lớn. III) KẾT LUẬN Để làm ngọt khí ta có nhiều phương pháp, tuy nhiên phương pháp hấp thụ hóa học là được sử dụng phổ biến hơn cả. trong hấp thụ hóa học, nhiều loại dung môi được dùng cho việc hấp thụ nhưng dung môi monoetanolamin là hay dược dùng howndo tính hiệu quả của nó. Hiện nay có 2 công nghệ hấp thụ sử dụng MEA cho làm ngọt khí là công nghệ hấp thụ 1 cấp và công nghệ hấp thụ 2 cấp BASF. Công nghệ 2 cấp BASF tỏ ra ưu điểm hơn cả, khắc phục được phần nào nhược điểm về hao tổn nhiệt so với công nghệ 1 cấp, làm cho hiệu quả của quá trình hấp thụ được nâng cao, giảm giá thành cho quá trình. Em xin cảm ơn thầy giáo Th.s Ngô Hà Sơn đã giúp em hoàn thành bài báo này. Trong quá trình làm, do thời gian và kiến thức còn hạn chếm, nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, hi vọng thầy và các bạn đóng góp để giúp bài được hoàn thiện hơn, cũng như hoàn thiện hơn về kiến thức bản thân Tài liệu tham khảo: (1): Công nghệ chế biến khí thiên nhiên và khí đồng hành, Nguyễn Thị Minh Hiền (2): Công nghệ chế biến khí, Lê thị Như ý (3): (4): (5): hóa học dầu mỏ và khí, Lê Thị Ngọ (6) Hóa học dầu mỏ và khí tự nhiên, Phan Tử Bằng