Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ ở nhiệt độ thấp

MỞ ĐẦU Ngành dầu khí nước tuy là một ngành mới hình thành và phát triển được hơn 20 năm nhưng đã có những đóng góp ngày càng to lớn về nhiều mặt cho sự phát triển của đất nước. Đặc biệt là sự ra đời của ngành công nghiệp chế biến dầu khí. Đây là một trong những tiền đề quan trong hàng đầu và là nguồn nguyên liệu chủ yếu để phát triển nhiều ngành công nghiệp mới. Cùng với quá trình khai thác dầu thô, thì nghành công nghiệp dầu khí đã hình thành từ năm 1995 và hiện đang phát triển một cách mạnh mẽ. Trên đất nước ta hiện nay đã triển khai xây dựng nhiều chương trình về khai thác và chế biến khí vào năm 2002 đã cung ứng kịp thời chho sản xuất công nghiệp và tiêu dùng gần 147 000 tấn condensate và 349 000 tấn PLG thay thế cho hàng nhập khẩu. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật từ khí tự nhiên và khí đồng hành người ta đã sản xuất ra nhiều sản phẩm khác nhau như: rượu, axeton, andehyt, NH3, chất dẻo sợi, phân bón, dầu nhờn, chất tẩy rửa tổng hợp … và là nguồn nguyên liệu cho các ngành như: mỹ phẩm, công nghiệp, in, dệt may…phục vụ nhiều cho công nghiệp và đời sống của nhân dân. Chính vì những lợi ích to lớn mà nghành dầu khí nói chung và ngành chế biến khí nói riêng đem lại thì việc đầu tư và phát triển công nghiệp ngành công nghiệp mũi nhọn này là một đi đúng hướng của đảng và nhà nước ta nhằm thúc đẩy kinh tế và cải thiện đời sống nhân dân. Trong phạm vi đồ án này ta chỉ nghiên cứu phương pháp chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp vì phương pháp này vừa đơn giản mà cho hiệu quả cao, và có tính khả thi nhất. Đồ án này gồm 5 phần: Phần I: Mở đầu. Phần II: Tổng quan. Cơ sở hóa lý của quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp. Tổng quan về công nghệ. Phần III: Tính toán thiết kế. Cân bằng vật chất. Cân bằng nhiệt lượng. Phần IV: Thiết kế công nghệ. Phần V: Kết luận. CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHÍ TỰ NHIÊN VÀ KHÍ ĐỒNG HÀNH. I.1. Thành phần và tính chất của khí tự nhiên và khí đồng hành. Những cấu tử cơ bản của khí tự nhiên và khí đồng hành là: metan, etan, propan, butan (n- và zo). Khí tự nhiên được khai thác từ các mỏ khí với thành phần chủ yếu là metan (chiếm 98% thể tích). Những mỏ khí tự nhiên là những túi khí nằm sâu dưới mặt đất. Khí đồng hành được khai thác từ các mỏ dầu đồng thời với quá trình khai thác dầu thô .Trong thành phần của khí đồng hành ngoài cầu từ chính là metan còn có etan, propan, butan, và các hydrocacbon nặng chiếm một hàm lượng đáng kể và phạm vi thay đổi thành phần của các cấu tử này trong một khoảng khá rộng. Ngoài ra trong thành phần khí tự nhiên và khí đồng hành còn có H2O, H2S và các hợp chất chứa lưu huỳnh CO2, N2, và Heli. Người ta còn tiến hành phân loại khí dựa vào hàm lượng các hydrocacbon từ propan trở lên. Trong đó khí chứa trên 150g/m3 các cấu từ propanbutan và các hydrocacbon nặng được gọi là khí béo. Khí này được ứng dụng chế tạo xăng khí, khí hóa lỏng (LPG) và nguồn hydrocacbon cho công nghệ tổng hợp hữu cơ. Còn khí chứa dưới mức 50g/m3 các hydrocacbon nặng được gọi là khí gầy. Và ứng dụng làm nhiên liệu cho công nghiệp và đời sống, làm nguyên liệu cho công nghệ tổng hợp hữu cơ , sản xuất phân đạm. Ở Việt Nam hiện nay người ta đã phát hiện được rất nhiều mỏ khí và trữ lượng khí hàng năm đạt được khoảng 1300 tỷ m3 khí .Dưới đây là một số mỏ khí của Việt Nam. ảng1: Thành phần khí ở bể Cửu Long. Mỏ Thành phần  Bạch Hổ (lô 09)  Rồng(lô 09)  Rạng đông (lô 09)  Ruby (lô 01)     khí tự do  đồng hành     Metan(C1)  76,82  84,77  76,54  77,62  78,02   Etan (C2)  11,87  7,220  6,890  10,04  10,67   Propan(C3)  5,980  3,460  8,250  5,940  6,700   Butan(C4)  1,040  1,700  0,780  2,830  1,740   Condensat  0,320  1,300  0,500  0,970  0,380   N2  0,500  -  -  0,330  0,600   CO2  1,000  -  -  0,420  0,070   H2S  -  -  -  -  -   Bảng2: Thành phần khí ở Bể Nam Côn Sơn(% theo thể tích) Mỏ Thành phần  Đại Hùng (05-!a)  Lan Tây (06-1)  Lan Đỏ (06-1)  Rồng Đôi (11-2)  Hải Thạch (05-2)  Mộc Tinh (05-3)   Metan(C1)  77,25  88,5  93,9  81,41  81,00  89,44   Etan(C2)  9,490  4,30  2,30  5,250  5.200  3,800   Propan(C3)  3,380  2,40  0,50  3,060  2,800  1,480   Butan(C4)  1,340  0,60  0,10  1,470  1,500  0,710   Condensat  0,480  1,40  0,20  0,550  4,700  0,540   N2  4,500  0,30  1,60  0,080  0,110  0,150   CO2  -  1,90  1,2  5,640  4,400  3,880   H2S  -  10,0  Chưa đo  0,000  -  -   I.2.Tình hình chế biến và sản xuất khí tự nhiên và khí đồng hành trên thế giới và ở Việt Nam Trước đây trên thế giới nguồn khí thu được thường bị đốt bỏ hoặc chờ được sử dụng như là một nhiên liệu để đốt .Điều này gây ra sự lãng phí vừa làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường xung quanh bởi lẽ trong khí tự nhiên và khí đồng hành ngoài việc là một nhiên liệu tốt thì từ khí tự nhiên và khí đồng hành ta còn thu được các chất hydrocacbon và phi hydrocacbon làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác . Do vậy trong những năm gần đây rất nhiều nước trên thế giới đặc biệt là những nước phát triển đã đầu tư và phát triển ngành công nghiệp chế biến khí cụ thể ở Nga và các nước công nghiệp phát triển đã sử dụng hợp lý nguồn hydrocacbon mang lại nguồn lợi to lớn bởi vì metan là thành phần chính có trong khí tự nhiên được dùng làm nhiên liệu cho lò nung và nồi hơi. Ngoài ra etan , propan ,butan và các hydrocacbon nặng còn được dùng cho công nghiệp tổng hợp hữu cơ. ở Mỹ, từ etan đã chế biến 40% etylen phục vụ cho sản xuất nhựa tổng hợp, oxit etylen, chất hoạt động bề mặt , nhiều sản phẩm và bán sản phẩm hóa học khác. Ngoài ra từ khí tự nhiên và khí đồng hành , sau khi làm sạch và chế biến khí người ta còn nhận được một lượng lớn lưu huỳnh ,heli và một số sản phẩm vô cơ khác phục vụ cho nhiều ngành kinh tế quốc dân. Mỹ và Canada là một trong hai nước đứng đầu về sản xuất heli, một trong những sản phẩm quan trọng nhất trong công nghệ nghiên cứu vũ trụ, nghiên cứu kỹ thuật thâm lạnh , sắc ký... ở các nước Tây âu, sau khi tìm ra các mỏ khí tự nhiên lớn đã tăng cường sự quan tâm đến các nguyên liệu nhiệt phân nhẹ . Trong những năm gần đây các nước Trung đông (Iran, Arapxeut, Beren...) dự định hoàn thành chương trình về khai thác , chế biến và vận chuyển khí đồng hành với tổng giá trị khoảng 33 tỉ USD . Người ta nghĩ rằng điều này cho phép xuất khẩu khoảng 46 triệu tấn PLG mỗi năm. Riêng ở Việt Nam ngành dầu khí nước ta tuy mới hình thành và phát triển nhưng với tiềm năng về khí khá phong phú thì đây là một tiền đề quan trọng để ngành công nghiệp này phát triển hơn. Cho đến nay Việt Nam đang khai thác 6 mỏ dầu và 1 mỏ dầu khí, hình thành 4 cụm khai thác dầu quan trọng: • Cụm mỏ thứ nhất : nằm ở vùng đồng bằng Bắc Bộ gồm nhiều mỏ khí nhỏ , trong đó có Tiền Hải “C”, trữ lượng khoảng 250 m3/khí , đã bắt đầu khai thác từ tháng 12 năm 1981với trên 450 triệu m3/khí phục vụ cho công nghiệp địa phương và là nguồn nguyên liệu cho công nghiệp khí ở các tỉnh phía Bắc. •Cụm mỏ thứ hai: thuộc vùng biển Cửu Long, gồm chứa 4 mỏ dầu : Bạch Hổ, Rồng, Rạng Đông, Rubi là cụm quan trọng nhất hiện nay , cung cấp trên 96% sản lượng dầu toàn quốc. • Cụm mỏ thứ ba: ở vùng biển Nam Côn Sơn gồm mỏ dầu Đại Hùng đang khai thác và các mỏ khí đã phát hiện ở khu vực xung quanh là Lan Tây, Lan Đỏ, Hải Thạch, Mộc Tinh và mỏ dầu khí Rồng Đôi Tây … đang chuẩn bị đưa vào khai thác . . Cụm mỏ thứ tư : tại thềm lục địa Tây Nam bao gồm mỏ Bungakclwa -Các nước đang khai thác dầu mỏ BungaOrkid, Bunga parkma, Bunga Rây tại khu vực thỏa thuận thương mại Việt Nam – Malaysia là khu khai thác và cung cấp khí lớn thứ hai và sẽ là cơ sở đảm bảo sự phát triển khu công nghiệp dầu khí ở Cà Mau – Cần Thơ . Với tiềm năng về khí khá phong phú như vậy , Viêt Nam có nhiều điều kiện phát triển công nghiệp khai thác và chế biến khí thúc đẩy mạnh hơn nền kinh tế và đưa đất nước ta lên một tầm cao mới. CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ BIẾN KHÍ TỰ NHIÊN VÀ KHÍ ĐỒNG HÀNH II.1.Phương pháp chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ Tiến hành chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ ở nhiệt độ thấp từ -25oC - -35oC áp suất cao 3,0 – 4,0 Mpa. Đây được coi là phương pháp có hiệu quả và kinh tế hơn cả để chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành. Khí đồng hành từ xí nghiệp khai thác dầu được nén bằng máy nén khí sau đó được làm lạnh và đưa vào thiết bị sấy khí để tách ẩm rồi được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt và làm nguội sau đó khí được đưa đến thiết bị ngưng tụ nhiệt độ thấp. Tại đó , khí được nén và làm lạnh tới nhiệt độ âm cần thiết tiếp theo hỗn hợp khí được đưa sang bộ phân tách khí lúc này một phần hydrocacbon đã ngưng tụ được tách ra. Sau khi được nén và làm lạnh thì hỗn hợp khí bằng hai phần: + Phần ngưng tụ (gọi là condesat) của bậc nén và làm lạnh.Khí đồng hành được bơm từ thùng chứa qua bộ phận trao đổi nhiệt sang cột tách etan. Tại đó phân đoạn chứa metan và etan được tách ra. Sau đó benzin lá phần ngưng tụ đã tách metan và etan qua thiết bị trao đổi nhiệt vào bình chứa, từ đó nó được đưa đị chế biến tiếp. Phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp để tách bezin từ khí đồng hành là phương pháp rất tốn kém, để thực hiện được cần có thiết bị làm lạnh phức tạp. Tuy nhiên do sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản, mà hiệu quả tách benzin ra khỏi hỗn hợp khí khá cao, triệt để nên phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế biến khí. II.2. Chế biến khí bằng phương pháp hấp thụ Ngoài chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ thì người ta còn áp dụng phương pháp hấp thụ để chế biến khí. Trong đó hấp thụ và giải hấp thụ là hai quá trình chuyển biến khối cơ bản được sử dụng để tách khí thiên nhiên và khí đồng hành. Quá trình này được thực hiện là nhờ sự hình thành cân bằng pha giữa hai pha khí lỏng do sự khuyếch tán của các chất từ pha nọ sang pha kia, Động lực của quá trình khuyếch tán là sự chênh lệch áp suất riêng phần giữa các cấu từ trong pha lỏng và pha khí. Nếu áp suất riêng phần của các cấu tử trong pha khí lớn hơn pha lỏng thì sẽ xảy ra quá trình hấp thụ (tức chất lỏng hấp thụ chất khí). Nếu ngược lại thì sẽ xảy ra quá trình hầp thụ và nhả hấp thụ được thực hiện trong các tháp hấp thụ và các tháp chưng luyện có cấu tạo kiểu tháp đĩa hoặc tháp đệm, chất hấp thụ được dùng ở đây là các phân đoạn benzin kerosene, hoặc hỗn hợp của chúng. (Hình1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị hấp thụ /156) *Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ: Khí nguyên liệu sau khi được làm sạch khí các giọt lỏng và các tạp chất cơ học , đựơc nén , sấy đến điểm sương cần thiết, và đưa vào đĩa cuối cùng của tháp hấp thụ 1 . Chất hấp thụ đựơc tái sinh được tưới lên đĩa trên cùng.Trong thiết bị này cấu từ theo yêu cầu định trước (C
3) được tách ra khỏi khí vào, ngoài ra còn có một lượng các hydrocacbon nhẹ(metan và etan). Khí khô thoát ta từ đỉnh tháp hấp thụ 1, còn chất hấp thụ bão hòa hydrocacbon đựơc thoát ra từ đáy tháp. Khí khô đưa đi sử dụng, còn chất hấp thụ bão hòa được đưavào tháp hấp thụ bốc hơi 2. Người ta tưới chất hấp thụ đã táI sinh vào đĩa trên cùng của tháp 2 còn đáy tháp thì được gia nhiệt khi khô được sử dụng làm nhiên liệu. Còn chất hấp thụ bão hòa đã tách etan được gia nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt 3 và 4. Từ đỉnh tháp 3 ta thu được hỗn hợp propan và hydrocacbon nặng. Phân đoạn hydrocacbon nặng được ngưng tụ trong thiết bị 7 và đi vào hồi lưu 9 phần hydrocacbon nặng được quay trở lại tháp nhả hấp thụ 3. Phần còn lại được đưa đi sản xuất. Nhiệt cung cấp cho phần dưới tháp nhả hấp thụ do sự tuần hòan các chất hấp thụ chảy từ đĩa cuối sang thiết bị đun sôi đáy tháp 10. Chất hấp thụ đã tái sinh từ đáy tháp 3 làm nguội qua thiết bị 4,5 sau đó làm lạnh 6,8 vào tháp hấp thụ 1 và tháp hấp thụ – bốc hơi 2. II.3.Chế biến khí bằng phương pháp chưng cất Sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp được thực hiện quá trình tách các cấu từ định trước hiệu quả hơn sơ đồ hấp thụ nhiệt độ thấp (HNI) và thiết bị chế tạo cũng đơn giản hơn. Khác nhau về mặt nguyên lý giữa hai sơ đồ CNT và NTT là ở chỗ nguyên liệu đi vào thiết bị sau khi làm lạnh (không có sự tách sơ bộ mà được đưa thẳng vào tháp chưng. Tại đó xảy ra sự phân tích riêng biệt khí nguyên liệu thành khí khô(thoát ra từ đỉnh tháp) và phân đoạn hydrocacbon nặng . Phụ thuộc vào sơ đồ nguyên lý của quá trình chưng cất nhiệt độ thấp, thiết bị cơ bản của sơ đồ là tháp chưng được chia thành chưng bốc hơi và tháp ngưng tụ – bốc hơi (Hình 2, hình 3 -177) Với 3 sơ đồ công nghệ chế biến khí nói trên thì ta có một vài nhận xét sau: Từ những ưu nhược điểm và phạm vi công dụng của mỗi công nghệ thì phương pháp chế biến khí bằng NNT đem lại hiệu quả cao nhất. Phương pháp này phù hợp với điều kiện chế biến khí đồng hành với năng suất công nghệ là 5 triệu m3/ngày, hệ số tách cấu tử chính là =75% propan .Mặt khác với phương pháp này mang lại hiệu quả cao đặc biệt trong tình hình kinh tế của đất nước ta hiện nay thì đây là một công nghệ chế biến khí đơn giản , và khả thi nhất. CHƯƠNG III:CƠ SỞ HÓA LÝ CỦA QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ NHIỆT ĐỘ THẤP III.1.Khái niệm về quá trình ngưng tụ Ngưng tụ là quá trình chuyển khí hoặc hơi sang trạng thái lỏng bằng cách làm lạnh khí hoặc nén làm lạnh khí đồng thời. Có hai phương pháp để tiến hành quá trình ngưng tụ : + Quá trình ngưng tụ gián tiếp: (hay còn gọi là ngưng tụ bề mặt ) tức là quá trình tiến hành trong thiết bị trao đổi nhiệt có tường ngăn cách giữa khí và tác nhân làm lạnh đi ngược chiều nhau . Tác nhân làm lạnh cho đi từ dưới lên để tránh dòng đối lưu tự nhiên cản trở quá trình chuyển động của lưu thể. Khí đi từ trên xuống để chất lỏng ngưng tụ chảy dọc xuống tự do và dễ dàng. +Quá trình ngưng tụ trực tiếp (hay còn gọi là ngưng tụ hỗn hợp) Quá ttrình này tiến hành bằng cách cho khí và tác nhân làm lạnh tiếp xúc trực tiếp với nhau. Tác nhân làm lạnh được phun trực tiếp vào trong khí sau đó ngưng tụ lại thành lỏng do vậy thiết bị ngưng tụ trực tiếp thường không đặt giá trị phân chia cao . Nên chất lỏng ngưng tụ sẽ trộn lẫn với tác nhân làm lạnh. III.2.Đặc điểm của quá trình ngưng tụ Quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp có thể được coi là quá trình làm lạnh đẳng áp (nếu ta bỏ qua một vài tổn thất áp suất khi khí chuyển động trong ống và thiết bị công nghệ) cho tới nhiệt độ tương ứng và áp suất đó thì xuất hiện pha lỏng. Khí đồng hành và khí tự nhiên là một hỗn hợp bao gồm nhiều cấu từ do đó qúa trình chuyển pha và các vùng tới hạn của chúng khác nhau nhiều so với qúa trình tương ứng với điểm đó là nhiệt độ và áp suất tới hạn. Khi nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ tới hạn thì chất đó sẽ tồn tại ở trạng thái một pha. Khi đó dù có thay đổi của bất kì tổ hợp các thông số nào thì cũng không thể đưa chất đó về trạng thái hai pha được vì vậy muốn hóa lỏng khí ta chỉ được phép tiến hành nhiêt độ tới hạn. Ví dụ : Nhiệt độ tới hạn của CH4 là Tc = 190,55K nhưng với nhiệt độ môi trường là Tmt = 298K thì Tc < Tmt. Do đó nếu nén khí ở nhiệt độ môi trường thì cho dù có tăng áp suất tới 500 atm thì CH 4 cũng không hóa lỏng, khi đó ta chỉ thu được khí CH4 nén. Vậy để hóa lỏng CH4ta phải hạ nhiệt độ của CH4 xuống khoảng 111K (dưới nhiệt độ sôi của CH4 TsCH4 = 111,6 K với áp suất khí quyển . Điều này có nghĩa là quá trình hóa lỏng một phần hay toàn bộ khí bằng phương pháp nén chỉ thực hiện được khi hạ nhiệt độ khí đó xuống dưới nhiệt độ tới hạn. III.3.Quá trình chuỷên pha của khí đồng hành. III.3.1 Quá trình chuyển pha đối với khí một cấu tử. Quá trình chuyền pha đối với hệ khí một cấu tử ta có thể biểu diễn trên trục tọa độ P-T trong đó trục tung là áp suất và trục hoành là nhiệt độ. Hình 4 giàn đồ pha hệ một cấu tử Đường HD, HC và FH là các đường cân bằng bao gồm tập hợp các gía trị áp suất, nhiệt độ tại đó có cân bằng pha. Điểm H là điểm duy nhất tại nhiệt độ và áp suất xác định đồng thời tồn tại ba pha nằm cân bằng với nhau. Tại đường cân bằng ở nhiệt độ và áp suất không đổi hệ có thể chuyển pha bằng cách thêm vào hoặc bớt năng lượng của hệ. - Dọc theo đường FH không tồn tại pha lỏng, và pha rắn thăng hoa thành hơi. - Đường HC là đường bão hòa hoặc cân bằng giữa hai pha lỏng và hơi. - Điểm C là điểm tới hạn ứng với nhiệt độ tới hạn T c và áp suất tới hạn Pc thì tại đó các tính chất của pha lỏng và pha hơi trở thành đồng nhất. Đối với đơn chất điểm tới hạn được định nghĩa: là điểm mà phía trên nó pha lỏng không thể tồn tại như một pha độc lập. Hay nói cách khác phía trên điểm tới hạn khí không thể bị hóa lỏng bằng cách nén áp suất cao. - Đường HC thường gọi là đường áp suất hơi hay đường cong điểm sương và đường cong điểm bọt của đơn chất. * Xét quá trình pha đấng áp của hệ một cấu tử trên hình 4. Từ”m”>”n”hệ ở trạng thái rắn. Từ “o” đến “b”: hệ ở trạng thái lỏng tại “b” hệ ở trạng thái lỏng bão hòa. Bất kỳ sự cung cấp năng lượng nào cũng làm cho lỏng hóa thành hơi ở nhiệt độ và áp suất không đổi. - Tại “d”: hệ ở trạng thái hơi bão hòa, tiếp tục tăng nhiệt độ sẽ nhận được hơi qúa nhiệt . III.3.2 Giàn đồ pha hệ nhiều cấu tử Đối với hệ nhiều cấu tử, vị trí của các đường cong trên giàn đồ pha phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp và các đường bao pha tạo thành không phải là một mặt phẳng, mà có chiều dày như hình cái lưỡi với thành phần là biến số phản ánh chiều dày của đường bao pha. Trên hình 5 thể hiện giản đồ pha hệ nhiều cấu tử trong đó trục tung là áp suất và trục hoành là nhiệt độ. (Hình 5/24 ) * Điểm C là điểm tới hạn, tại đó hai pha trở thành một pha. * Điểm M là điểm tương ứng với áp suất lớn nhất mà tại đó hỗn hợp nhiều cấu tử tồn tại ở trạng thái hai pha. * Điểm N: là điểm tương ứng với áp suất lớn nhất mà tại đố hỗn hợp nhiều cấu tử tồn tại ở trạng thái hai pha. Bên trái đường cong điểm bọt hệ tồn tại ở trạng thái lỏng khi bắt đầu chạm tới đường cong điểm bọt thì hệ khí bắt đầu xuất hiện những bọt khí. Khi sang đường cong điểm sương thì toàn bộ hỗn hợp khí trở thành hơi từ đường cong điểm bọt và đường cong điểm sương là miền mà tồn tại cân bằng giữa hai pha lỏng và hơi. +Đường ABDE: biểu diễn quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt suy biến điển hình trong các mỏ khí condensate. Điểm A biểu diễn pha lỏng chặt nằm bên ngoài đường bao pha khi giảm áp suất tới điểm B bắt đầu quá trình ngưng tụ. Tiếp tục giảm áp suất lượng lỏng hình thành nhiều hơn từ điểm “A” đến “D” nằm trong miền suy biến được tạo bởi các điểm thay đổi độ dốc của các đường pha. + Khi tiếp tục giảm áp suất ra khỏi miền suy biến đi từ D tới E thì lượng lỏng giảm dần cho tới khi đạt điểm sương (E) phía dưới điểm E hệ không tồn tại ở trạng thái lỏng chỉ tồn tại ở trạng thái hơi. Điểm tới hạn C của hỗn hợp khí hydrocacbon luôn luôn ở phía bên trái của điểm M và vị trí mà là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến sự thay đổi hướng của các đường lỏng hơi bên trong đường bao pha. Điểm tới hạn C có thể nằm bên phải điểm N thể hiện trên hình 6 và 7. (Hình 6 và 7 /25) Trên hình 7 là giản đồ của hệ bậc hai metan propan cho thấy ảnh hưởng của thành phần đến hình dáng vị trí của đường bao pha thì đường cong ngoài cùng là các đường áp suất hơi của metan propan bắt đầu từ điểm tới hạn ba đường bao pha còn lại là của ba hỗn hợp có tỷ lệ thành phần metan propan khác nhau được gọi là quỹ tích tới hạn . Như vậy vị trí tới hạn trên mỗi đường bao pha thay đổi theo thành phần của hỗn hợp các hydrocacbon. Ngoài ra các tạp chất như phi hydrocacbon như: H2O, CO2,H2S,N2 cũng có những ảnh hưởng đáng kể đến đường bao pha của hỗn hợp khí trong điều kiện nhiệt độ cao và áp suất thấp . + H2S, CO2 làm giảm điểm áp suất cực đại tồn tại lỏng hơi của hỗn hợp khí. + N2: Làm tăng điểm áp suất cực trị , tồn tại lỏng hơI hỗn hợp khí và giảm khả năng trộn lẫn. III.4. Hằng số cân bằng pha. Cân bằng pha của hỗn hợp khí không phải là trạng thái tĩnh mà là cân bằng động , vẫn luôn tồn tại sự chuyển đồng của các phân tử từ pha lỏng sang pha hơi và ngược lại, tốc độ bay và tốc độ ngưng tụ là bằng nhau. Đại lượng đặc trưng cho sự phân bố của các cấu tử giữa các pha ở điều kiện cân bằng là hằng số cân bằng pha K được xác định bằng phương trình :
Trong đó :
: là phần mol của cấu tử i trong pha hơi.
: là phần mol của cấu tử I trong pha lỏng. Xét cân bằng vật liệu của tháp: G: là phần mol của cấu tử i trong nguyên liệu vào tháp tách.
: là phần mol cấu tử i trong pha hơi.
: là phần mol cấu tử i trong pha lỏng.
: hằng số cân bằng pha lỏng – hơi . F : là tổng số mol nguyên liệu. V: là tổng số mol hơi. L: là tổng số mol lỏng . Ta có: phương trình cân bằng vật liệu của tháp : F= V+L Với cấu tử một nào đó: F.G=V.
+L.
III.5. Quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp trong chế biến khí đồng hành Trong hỗn hợp khí đồng hành có thành phần các hydrocacbon khác nhau như:CH4, C2H6…Do vậy tương ứng sẽ có các nhiệt độ ngưng tụ khác nhau, do đó quá trình làm lạnh sẽ xảy ra như sau(coi lai) + Khi giảm nhiệt độ của hỗn hợp khí thì đến một lúc nào đó của hỗn hợp khí sẽ bắt đầu ngưng tụ(tương ứng với áp suất riêng phần trong hỗn hợp khí) lớn nhất. Nếu như các cấu tử được phân bố đều trong hỗn hợp ban đầu. Thì các cấu tử có nhiệt độ ngưng tụ lớn nhất sẽ ngưng tụ đầu tiên. Khí hydrocacbon có đăc điểm quan trọng là: chúng hòa tan trong các hydrocacbon lỏng, do đó khi chuyển sang pha lỏng không chỉ có các cấu tử khác có nhiệt độ tới hạn thấp hơn cả nhiệt độ của hỗn hợp tại thời điểm đó. Ví dụ: Hỗn hợp có 10% mol CH 4 có 90%mol C6H14 trong ống dẫn khí có thể ngưng tụ hoàn toàn khi làm lạnh đến 10oC với P = 2MPa. Mặc dù nhiệt độ tới hạn của CH4 là Tc = -82,6oC. Nhưng khi có mặt propan nó vẫn chuyển sang pha khí. Trong quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp , quá trình làm lạnh khí chỉ diễn ra tới khi đạt được mức độ ngưng tụ định mức của pha hơi (trong hỗn hợp khí ban đầu) được xác định bằng mức độ tách cần thiết các cấu tử chủ yếu ra khỏi hỗn hợp . Điều này đạt được nhờ nhiệt độ làm lạnh cuối cùng hoàn toàn xác định ( tức phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp, áp suất của hệ). Nhiệt độ này tạo được bằng cách cung cấp cho quá trình một lượng nhiệt lạnh cần thiết. -Cùng một mức độ ngưng tụ ( của hỗn hợp khí ban đầu ) có thể đạt được bằng những tổ hợp các giá trị nhiệt độ và áp suất khác nhau . Khi tăng áp suất trong hệ tức là tăng áp suất riêng phần của từng cấu tử, mức độ ngưng tụ nhiệt độ không đổi sẽ tăng lên và quá trình này cũng sẽ xảy ra tương tự làm lạnh đẳng áp . - Mức độ ngưng tụ các hydrocacbon khi tiến hành trong quá trình đẳng áp và trong quá trình đẳng nhiệt. Tuy nhiên, qúa trình ngưng tụ của hai trường hợp này lại khác nhau. Cụ thể trường hợp đẳng nhiệt thì mức độ ngưng tụ tăng nhưng sự phân tách các cấu tử hydrocacbon kém. Ngược lại đối với quá trình đẳng áp. Vậy: Việc lựa chọn các thông số tối ưu cho quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp phụ thuộc vào thành phần ban đầu của hỗn hợp khí nguyên liệu, mức độ phân tích cấu tử chính định trước là rất quan trọng. CHƯƠNG IV: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGƯNG TỤ NHIỆT ĐỘ THẤP. IV.1.Các thiết bị chính có trong qúa trình chế biến bằng phương hip ngưng tụ nhiệt độ thấp. Nhìn chung sơ đồ công nghệ trong các quá trình chế biến khí theo phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp rất đa dạng và phong phú. Theo mỗi một phương pháp thì ta có các thiết bị khác nhau. Tuy nhiên , trên cơ bản thì tất cả các quy trình đều có những cụm thiết bị chính như sau: + Bộ phận lọc khí nó có tác dụng: để tách các giọt lỏng và những tạp chất cơ học. Trước khi khí được đưa vào chế biến, thiết bị này hoạt động theo nguyên tắc như: cơ học , hóa học hay điện trường. + Thiết bị sấy khí và tách ẩm: ở thiết bị này có tác dụng tách lượng ẩm có trong khí. Nguyên nhân hơi nước có thể bị ngưng tụ lại trong các hệ thống thiết bị công nghệ chế biến khí sau này.Thiết bị này có thể hoạt động theo nguyên tắc như: hấp thụ, hấp phụ… + Hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt tuần hoàn: Thiết bị này có tác dụng tận dụng được các nguồn nhiệt lạnh, nhiệt nóng của các dòng sản phẩm. Thiết bị này có thể hoạt động theo: loại gián tiếp, trực tiếp hay loại đệm. +Thiết bị phân ly hỗn hợp hai pha. + Tháp tách etan. Nếu như sơ đồ Ngưng tụ nhiệt độ thấp (NNT) được dùng với mục đích thu được C2 và phân đoạn cao thì sau tháp khử metan ta có thêm tháp tách etan (C2H6) thương phẩm. Trong sơ đồ NNT có cụm thiết bị gồm: nguồn nhiệt lạnh, máy phân ly tạo nên một bậc phân ly. IV.2 Phân loại các sơ đồ công nghệ. Để chế biến khí theo phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp (NNT) có rất nhiều sơ đồ công nghệ khác nhau. Và ta có thể phân chia chúng dựa vào một số đặc điểm sau đây: +Theo số loại phân ly cơ bản + Theo loại nguồn nhiệt lạnh +Theo loại sản phẩm cuối. Theo đó ta có sơ đồ phân loại công nghệ chế biến khí sau đây:
 Theo mỗi kiểu phân chia thì ta có 13 sơ đồ tiêu biểu sau: +Sơ đồ NNT một bậc +Sơ đồ NNT có tách sơ bộ etan +Sơ đồ NNT có chu trình làm lạnh dùng tác nhân lạnh hỗn hợp +Sơ đồ NNT một bậc có chu trình làm lạnh ngoài bằng propan và etan để nhân C>2 +Sơ đồ công nghệ nhà máy chế biến khí ở Tây Virginia (Mỹ) +Sơ đồ Thiết bị NNT 3 giai đoạn +Sơ đồ nhà máy chế biến khí sử dụng tubin giãn nở khí +Sơ đồ chế biến khí ở nhà máy San – Antonio (bang Texas, Mỹ) +Sơ đồ nguyên lý thiết bị NNT có tuabin giãn nở khí. +Sơ đồ NNT một bậc để nhận C3có chu trình làm lạnh tổ hợp. +Sơ đồ NNT hai bậc để nhận C>3 có chu trình làm lạnh tổ hợp. +Sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp để nhận C>3 có chu trìng làm lạnh tổ hợp. +Sơ đồ công nghệ nhà máy chế biến khí ở Siligson (Mỹ). IV. 3. Phân tích lựa chọn thiết bị để tính toán thiết kế IV.3.1. Đánh giá công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp. Trong công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp.Dựa vạo số bậc tách, kiểu nguồn lạnh và cách đưa sản phẩm ra thì ta có các sơ đồ công nghệ chế biến khí khác nhau. Theo đó mỗi một loại công nghệ ta đều có những ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng khác nhau. Để hiểu hơn ta đi xét một số sơ đồ công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp. IV.3.1.a Sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp (NNT) có chu trình làm lạnh ngoài *Đặc điểm sơ đồ công nghệ: Vì sơ đồ công nghệ này sử dụng chu trình làm lạnh ngoài nên không phụ thuộc vào sơ đồ công nghệ có tác nhân làm lạnh đặc biệt. Tùy thuộc vào dạng tác nhân làm lạnh mà chu trình làm lạnh ngoài có thể được chia thành hai nhóm: Nhóm một tác nhân làm lạnh và nhóm nhiều tác nhân làm lạnh và chu trình làm lạnh ngoài có ứng dụng hai hay nhiều tác nhân làm lạnh gọi là chu trình làm lạnh bậc thang. Đây là sơ đồ công nghệ được ứng dụng một cách rộng rãi. a)Sơ đồ NNT một bậc để nhận
có chu trình làm lạnh với tác nhân làm lạnh hỗn hợp Hình 8- Sơ đồ NNT có chu trình làm lạnh hỗn hợp
*Nguyên tắc hoạt động: Khí đồng hành được nén tới áp suất 3,7 MPa đi vào thiết bị làm mát bằng không khí qua thiết bị trao đổi nhiệt 3, thiết bị bay hơi tác nhân làm lạnh hỗn hợp 7 và được làm lạnh đến nhiệt độ-60°C. Hỗn hợp 2 pha tạo thành được tách ở tháp tách 10. Khí khô sau khi truyền nhiệt lạnh ở thiết bị 6 và được dẫn vào giữa tháp tách etan 11. Sau khi tách từ tháp tách etan 11 khí sau khi truyền lạnh trong thiết bị 3 được đưa đi sử dụng, phân đoạn chứa các hydrocacbon được tháo ra ở đáy tháp 11 sau khi truyền nhiệt trong thiết bị 9. Một phần condesat từ tháp phân tích 10 có thể được đưa đi để tạo hỗn hợp tác nhân làm lạnh. Nó được gia nhiệt trong thiết bị 9 bằng sản phẩm của tháp 11 đến 20oC – 45oC Một phần được bay hơi và tách khí trong tháp tách 8 qua van tiết lưu 14 giảm áp suất tới 0,118- 0,125 MPa, hòan toàn được bay hơi và đưa máy nén 4 có chu trình lạnh và từ đó nó trở thành tác nhân làm lạnh. b) Sơ đồ NNT một bậc để nhận
có chu trình làm lạnh bằng propan và etan (Hình 9: Sơ đồ NNT một bậc có chu trình làm lạnh bằng propan và etan để nhận >)
*Nguyên tắc hoạt động: Đặc điểm của sơ đồ này là có hai nguồn lạnh: Chu trình làm lạnh bằng propan và chu trình làm lạnh bằng etan. Theo sơ đồ công nghệ này thì khí được làm lạnh liên tục và một phần được ngưng tụ trong thiết bị làm mát bằng không khí 3, thiết bị trao đổi nhiệt 6 Bộ phận bay hơi propan 7, thiết bị trao đổi nhiệt và bộ phận bay hơi 9 chưa có sự tách pha lỏng. Điều đó cho phép thực hiện tốt hơn những điều kiện cần thiết để tách etan, bởi vì etan trong pha lỏng của các hydrocacbon nặng tốt hơn. Do đó tăng tổng số etan tách ra được ở bậc sau. Đặc điểm thứ hai của sơ đồ có tháp tách etan và tháp tách metan để được sản phẩm
. Nhiệm vụ của tháp tách metan là tách toàn bộ metan ra khỏi phân đoạn chứa hydrocacbon
.Tháp tách metan làm việc trong điều kiện p =3,5 - 4,0MPa; Nhiệt độ T = 3,5oC – 4,0oC. Nhiệt độ đáy tháp tách metan thường được duy trì : T = 20 – 60 oC ; số đĩa trong tháp tách metan từ 20 - 25 đĩa c)Sơ đồ NNT ba bậc để nhận
với chu trình làm lạnh bằng propan (Hình 10-Sơ đồ thiết bị NNT ba giai đoạn)
*Nguyên tắc hoạt động: Với sơ đồ ba bậc có chu trình làm lạnh ngoàI bằng propan ; trong đó propan được bay hơi trên mỗi bậc theo các đường đẳng nhiệt khác nhau. Ở bậc ngưng tụ thứ nhất, khí đưa vào được làm lạnh đến nhiệt độ trung gian nào đó cao hơn nhiệt độ ở bậc ngưng tụ tiếp theo. Sau đó hỗn hợp hai pha tạo thành được tách riêng pha lỏng và pha hơi. Pha hơi đưa vào ngưng tụ nhiệt độ thấp ở bậc thứ hai . ở đây khí được làm lạnh thấp hơn bậc đầu tiên nhưng cao hơn nhiệt độ ngưng tụ ở bậc thứ ba.Sau đó pha lỏng và pha hơi lần nữa lại được tách riêng. Pha hơi đưa vào ngưng tụ nhiệt độ thấp ở bậc thứ ba, ở đó hơi ngưng tụ đến nhiệt độ đã chọn và trở thành hai pha lỏng và hơi. Pha lỏng tách ra sau mỗi bậc ngưng tụ được đưa vào tháp tách etan. Sơ đồ NNT một bậc và nhiều bậc có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Với quá trình ngưng tụ một bậc thứ lượng lỏng tạo ra nhiều hơn so với nhiều bậc nhưng trong phần lỏng của một bậc chứa nhiều cấu tử nhẹ, tức là độ chọn lọc của quá trình ngưng tụ một bậc thấp hơn. Điều đó dẫn đến tăng lượng nhiêt mất mát do các sản phẩm nhẹ metan và etan. Tuy nhiên với sơ đồ nhiều bậc vốn, kinh phí bỏ ra nhiều. * Ưu điểm công nghệ: do công nghệ sử dụng chu trình làm lạnh ngoài nên không phụ thuộc vào sơ đồ công nghệ và thiết bị đơn giản , vốn đầu tư ít, dễ dàng triển khai. * Nhược điểm công nghệ: công nghệ này có độ chọn lọc không cao do năng lượng tiêu tốn nhiều để ngưng tụ các cấu tử nhẹ dễ sôi, để khắc phục nhược điểm này ta có các công nghệ NNT có chu trình làm lạnh ngoài nhiều bậc cho độ phân chia cao. * Phạm vi ứng dụng của sơ đồ công nghệ: công nghệ này ứng dụng đối với hỗn hợp khí có độ phân tách các cấu tử chính không lớn,năng suất công nghệ cao. IV.3.1.2 Sơ đồ công nghệ NNT có chu trình làm lạnh trong. *Đặc điểm của sơ đồ công nghệ: Trong quá trình chế biến khí tự nhiên thì thiết bị làm lạnh bằng tuôcbin sử dụng năng lượng ở các vỉa khai thác khí.Còn khi chế biến khí đồng hành thì khí được nén sơ bộ tạo một áp suất nhất định trước thiết bị làm lạnh tuôcbin. Thông thường trong sơ đồ sử dụng chu trình làm lạnh trong . Ngoài việc làm lạnh khí đã tách xăng còn sử dụng cả tiết lưu dòng lỏng. Điều này cho phép thu được một lượng nhiệt lạnh cần thiết. a)Sơ đồ điển hình của một nhà máy chế biến khí có tuabin giãn nở khí. Hình 11- Sơ đồ nhà máy chế biến khí sử dụng tuabin giãn nở khí/145)
*Sơ đồ nhà máy loại này gồm các công đoạn chính sau: - Công đoạn nén khí ban đầu khi chế biến khí đồng hành. - Sấy khí. - Công đoạn tái sinh lạnh và nhiệt của các dòng khí ngược chiều nhau. - Công đoạn tách khí áp suất cao. - Công đoạn giãn nở khí bằng tuabin có tách khí áp suất thấp. - Tách metan ra các hydrocacbon nặng C ( 2,tách etan của condensate nếu nhận etan và các hydrocacbon nặng C ( 3. - Nén khí khi đến áp suất cần thiết để đưa vào đường ống dẫn. b) Sơ đồ NNT hai bậc để tách C > 3 có tuabin giãn nở khí , tiết lưu dòng chất lỏng: Hình 12-Sơ đồ chế biến khí ở nhà máy San Antinio/145
* Nguyên tắc hoạt động: Khí có áp suất 5,2 MPa vào tháp tách 1, tại đây những giọt chất lỏng được tách ra khỏi khí . Sau khi ra khỏi tháp tách, khí vừa được làm lạnh sẽ được dẫn đến tháp tách 5. Trước khi vào các thiết bị trao đổi nhiệt, người ta bơm metanol vào khí. Trong tháp tách 3 pha 5, methanol bão hòa các hydrocacbon ngưng tụ và khí được tách riêng. Dung dịch metanol trong nước được tái sinh trong tháp 7 các hydrocacbon ngưng tụ được đưa từ tháp tách 5 vào bộ phận thổi gió 8 ở đây áp suất giảm xuống 1,8 MPa , nhiệt độ condensat giảm xuống -84oC. Khí tạo thành nhờ sự tiết lưu này từ tháp 8 được dẫn vào đường ống dẫn khí khô, còn condensate qua thiết bị trao đổi nhiệt vào phần giữa của tháp tách etan 10, giảm đến 1,8 MPa , sau đó được dẫn vào tháp tách 9 ở trên đỉnh của tháp 10.Khí từ tháp 9 sau khi truyền nhiệt ở 3 va 4 được máy nén đến áp suất 2,1 MPa , máy nén nối với một trục của tuabin 6, phân đoạn chứa các hydrocacbon nặng được tháo ra từ đáy tháp tách etan 10 . * Ưu điểm công nghệ: - ở công nghệ này chỉ có một nguồn lạnh duy nhất là tuabin giãn nở khí. Điều này đảm bảo tách triệt để hơn các cấu tử theo yêu cầu định trước như: etan, propan hay hydrocacbon nặng . - Ngoài ra việc sử dụng tuabin giãn nở : có khả năng tự động hóa hoàn toàn có thể xây dung sơ đồ chế biến khí thích hợp cho những mỏ khai thác khác nhau. Do vậy giảm nhẹ được khối lượng công việc xây lắp trực tiếp hệ thống thiết bị . _ Với công nghệ này thì tổng hợp được các ưu điểm của hai quá trình công nghệ đó là: NNT có chu trình làm lạnh ngoại nhiều làm lạnh tổ hợp cụ thể : công nghệ có chu trình làm lạnh trong vừa cho độ phân tách cao và cho phép làm việc ở nhiệt độ làm lạnh sâu. * Nhược điểm: Thiết bị công nghệ với chu trình làm lạnh trong thường cồng kềnh, phức tạp, vốn đầu tư lớn. * Phạm vi ứng dụng: áp dụng đối với hỗn hợp khí có thành phần chứa
trở lên không quá 70 – 75 g/m3. Với hệ số tách cấu tử chính là 85% propan và hầu hết các cấu tử cacbon nặng.Khí khô sau khi chế biến được đưa thẳng đi tiêu thụ với áp suất 2,1MPa. IV3.1.3 Sơ đồ công nghệ NNT có chu trình làm lạnh tổ hợp: *Đặc điểm sơ đồ công nghệ : Nguồn lạnh được sử dụng trong công nghệ bao gồm nhiều chu trình làm lạnh .Trong đó có chu trình làm lạnh ngoài bằng propan, tiết lưu dòng lỏng và tuabin giãn nở với đặc điểm này cho phép sơ đồ công nghệ làm việc ở nhiệt độ làm lạnh sâu hơn, và thiết kế công nghệ đơn giản, và có thể dễ dàng tách riêng cho từng cấu tử của hỗn hợp khí ban đầu như: etan, metan, propan… a)Sơ đồ NNT một bậc để nhận
có chu trình làm lạnh tổ hợp ( chu trình làm lạnh ngoài bằng propan và tiết lưu dòng chất lỏng) Hình 13 Sơ đồ NNT một bậc để nhận
có chu trình làm lạnh tổ hợp /148)
*Nguyên tắc hoạt động: Khí đồng hành được nén đến tháp áp suất 2,0MPa đi qua bộ phận gia nhiệt 13 của tháp tách etan 12 , trao đổi nhiệt bằng không khí 3, sau đó qua các thiết bị trao đổi nhiệt 4,6,7,9 và bộ phận bay hơi 5,8 của chu trình làm lạnh ngoài, một phần khí được ngưng tụ, khí có nhiệt độ -10oCđược đưa vào tháp tách 1 để tách phần ngưng tụ. Khí khô từ đỉnh tháp tách sau khi trao đổi nhiệt với dòng khí nguyên liệu đựơc dẫn ra khỏi hệ thống đưa đi sử dụng Condensat từ đáy tháp tách 11 đi qua thiết bị tiết lưu 10 tại đây áp suất condensate giảm xuống 1,0 MPa, Nhiệt độ-15oC. Dòng condensate lạnh đi qua thiết bị trao đổi nhiệt 9 đặt ngay phía trước tháp 11, sau đó là thiết bị trao đổi nhiệt 7 và đi vào đỉnh tháp tách bốc hơi 12, tại đây ở áp suất 1MPa xảy ra sự tách etan, các hydrocacbon nhẹ bay hơi từ đỉnh tháp 12 qua thiết bị trao đổi nhiệt 4, được đưa nén trong máy nén 2 đến áp suất của dòng khí nguyên liệu, được làm lạnh trong thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí 1 và được trộn lẫn với dòng khí vào. b)Sơ đồ NNT hai bậc để nhậncó
chu trình làm lạnh tổ hợp (chu trình làm lạnh ngoài bằng propan ,tiết lưu dòng chất lỏng và tuabin giãn nở khí) Hình 14-Sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp để nhận
có chu trình làm lạnh tổ hợp
*Nguyên tắc hoạt động: Khi nguyên liệu được nén đến 4,0MPa sau khi đã làm sạch khỏi CO2và sấy bằng chất hấp phụ rắn, được đưa vào công đoạn ngưng tụ nhiệt độ thấp . Một phần khí đi vào các thiết bị bay hơi 1,3,5 và các thiết bị trao đổi nhiệt 2,4 tại đây khí được làm lạnh đến -30oC, được trộn lẫn với một phần khí đã được làm lạnh đến -30oC nhiệt độ đó bằng condensate từ tháp tách 10. Condensat từ tháp tách 10 được tiết lưu đến áp suất 1,7 MPa và sau khi truyền lạnh có nhiệt độ 20oC được dẫn tới tháp tách etan 16. Từ tháp tách 10 khí sau khi được làm lạnh bởi khí khô đi ra từ đỉnh tháp tách etan 16 đạt nhiệt độ -51oCđược dẫn vào tháp tách nhiệt độ thấp 11, tại đây khí được tách ra khỏi condensate và có nhiệt độ thấp 11 được dẫn qua van tiết lưu 15, áp suất của khí giảm đến 18MPa, khi đó một phần khí bị ngưng tụ, đựơc làm lạnh đến-78oC. Khí cùng với condensate từ tuabin 13 được dẫn đến phần trên của tháp tách etan 16. * Nhược điểm của sơ đồ công nghệ : Với chu trình làm lạnh tổ hợp chỉ cho phép nhiệt độ làm lạnh của quá trình là giới hạn ở nhiệt độ -65? * Phạm vi ứng dụng của sơ đồ công nghệ: Với việc sử dụng tuôcbin làm lạnh trong sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ tháp để chế biến khí và thu được sản phẩm có phân đoạn từ
trở lên .Với hàm lượng
trong khí đồng hành 300g/m 3và hệ số tách cấu tử chính 90% propan Vậy : Nhìn chung sau khi phân tích ưu nhược điểm, phạm vi ứng dụng của các sơ đồ công nghệ. Ta thấy rằng để chế biến đồng hành với năng suất công nghệ lớn 5 triệu m3/ngày, độ phân tách các cấu tử chính không cao vào khoảng 75% cấu tử chính là propan, thì ta lựa chọn công nghệ NNT với chu trình làm lạnh ngoài tác nhân làm lạnh propan có tháp tách sơ bộ etan là tối ưu nhất, vì công nghệ của thiết bị đơn giãn , công nhgệ áp đụng rộng rãi, vừa khắc phục được nhược điểm của công nghệ cuả thiết bị không có tách sơ bộ etan. Do vậy nó có độ phân tách cấu tử chính cao hơn. IV.4.Lựa chọn sơ đồ công nghệ chế biến khí bằng phương pháp NNT. Với việc lưạ chọn công nghệ là bằng sơ đồ công nghệ NNT với chu trình làm lạnh có tách sơ bộ etan để cụ thể hơn ta đi so sánh giữa hai sơ đồ NNT có tách sơ bộ etan và không tách sơ bộ etan Vẽ sơ đồ Hình 15:Không tách sơ bộ etan Hình 16: Có tách sơ bộ etan
* Ngưng tụ nhiệt độ thấp một bậc không tách sơ bộ etan: -Sơ đồ công nghệ này có độ chọn lọc không cao do vậy phải chi phí nhiều năng lượng cho quá trình khử etan, trong đó năng lượng phải tiêu tốn cho quá trình ngưng tụ các cấu tử nhẹ , Do vậy việc lắp thêm thiết bị khử sơ bộ cho phép sơ đồ công nghệ làm việc với chế độ cao hơn. * Ưu điểm : Vốn đầu tư ít ,đơn giản. * Nhược điểm : do việc tách các cấu tử nhẹ không triệt để nên cấu tử nhẹ trong nghuyên liệu đưa vào lớn dần đến làm tăng chế độ của công nghệ.  * Ngưng tụ NNT một bậc có tách sơ bộ etan: _ Ngoài sơ đồ giống như một bậc thì thiết bị có thêm tháp tách sơ bộ etan .Tại đó thì etan đựơc tách ra một phần do nhiệt của khí nguyên liệu đưa vào và điều này cho phép tăng nhiệt độ đỉnh tháp 9 và giảm lượng tác nhân làm lạnh của quá trình và tiết kiệm được năng lượng. Cụ thể: Nguyên liệu đi vào tháp khử etan so với sơ đồ NNT thông thường sẽ có lượng ít hơn và nặng hơn. Điều này cho phép tăng nhiệt độ đỉnh tháp khử etan , giảm lượng nhiệt lạnh cần thiết để bay hơi các cấu tử nhẹ ở đáy tháp . Mặt khác lượng tác nhân lạnh dùng để làm lạnh khí trước khi tuần hòan từ thiết bị phân ly thứ hai .Tuy nhiên do nhiệt độ của tác nhân lạnh ở đỉnh tháp khử etan tăng lên do vậy được lợi về nhiệt hơn sơ dồ 1. * Ưu điểm: - Lấy được nhiệt từ nguyên liệu đưa vào. - Tăng hiệu quả của chu trình lạnh và pha lỏng ở sơ đồ II có tỷ trọng lớn hơn(vì ít cấu tử nhẹ) - Tháp tách etan có thể làm việc ở nhiệt độ cao hơn do vậy tiết kiệm được nhiên liệu làm lạnh. * Nhược điểm: Vốn đầu tư của sơ đồ II lớn hơn so với I do có thêm tháp tách sơ bộ etan nên thiết kế phức tạp hơn.   Vậy: Việc lựa chọn công nghệ chế biến khí theo phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp với chu trình làm lạnh với tác nhân là propan cho hiệu quả kinh tế và phù hợp với yêu cầu phân tách và năng suất công nghệ. PHẦN II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ NGƯNG TỤ NHIỆT ĐỘ THẤP. CHƯƠNG VI: CÂN BẰNG VẬT CHẤT. VI:1. Tính toán cân bằng vật chất cho các tháp khi chu trình bắt đầu làm việc lần thứ nhất. Hỗn hợp khí sau khi làm sạch, nén, trao đổi nhiệt qua thiết bị bay hơI propan sau đó đị vào tháp tách(7) với thành phần hỗn hợp khí cho trong bảng dưới đây. Năng suất công nghệ : 5.106 m3 khí/ ngày. áp suất hỗn hợp khí: P = 10 Mpa. Nhiệt độ trung bình của tháp(7) : -30oC. Giả sử lúc đầu vừa khởi động dây chuyền chưa có khí ra ở đỉnh tháp ( 8) nên chưa có khí hồi lưu vào dòng nguyên liệu, thành phần khí vào tháp 7 đúng bằng thành phần hỗn hợp khí nguyên liệu đầu vào. Ta có bảng sau: Bảng3:Cân bằng vật chất cho các tháp khi chu trình bắt đầu làm việc Cấu tử  Thành phần  Khối lượng phân tử  Hằng số cân bằng  Khối lượng phân tử trung bình   CH4  0.7700  16.043  1.470  12.353   C2H6  0.1474  30.070  0.415  4.432   C3H6  0.0650  44.097  0.195  2.866   C4H8  0.0144  58.124  0.098  0.836   C6H12  0.0032  72.104  0.042  0.2307   Tổng  1.0000    20.717   Sử dụng dồ thị j. Cambell cho từng cấu tử với trục hoành là trục tung là giá
trị các hằng số cân băng. Các đương cong là nhiệt độ trung bình của tháp . Hằng số cân bằng của từng cấu tử thu được trong bảng. Vậy lưu lưọng khối lượng nguyên liệu là:


Lưu lượng khối lượng của từng cấu tử đi vào tháp 7 khi chưa có hồi
lưu khí:

Xét 1 mol khí nguyên liệu, F = 1 Ta có cân bằng vật chất đối với từng cấu tử là:
Trong đó: F: số mol nguyênliệu vào tháp Ci: phần mol cấu tử i trong dòng nguyên liệu V: số mol pha khí nhận được từ F mol nguyên liệu L: số mol pha lỏng nhận được từ F mol nguyên liệu xi: phần mol cấu tử i trong dòng lỏng L yi: : phần mol cấu tử i trong dòng khi V Ta có:

nên:
Hoặc
(1) và
(2) Tổng phần mol của các cấu tử phải bằng 1:
(3) và
(4) Nên:
(5) Mà L = 1-V nên
(6) Để tìm giá trị V thoã mãn biểu thức 5 thì ta phải sử dụng phép tính lặp với áp suất P=10Mpa và T=-30˚C là điều kiện thuận lợi cho quá trình ngưng tụ. Tuy nhiên hỗn hợp chứa nhiều cấu tử CH4 và C2H6, đó là những cấu tử khó ngưng tụ. Vì vậy lượng lỏng thu được không nhiều. Chọn V=0,6 thay vào biểu thức 5 ta có:
Vậy để tổng trên giảm dần đến 0 thì ta phải tăng V để: + Chọn V=0,63 ta có
+ Chọn V=0,62 ta có
Nhận thấy rằng các giá trị 0,001gần đạt tới 0 nhất vậy + Chọn V=0,628 ta có
+ Chọn V=0,6278 ta có
Vậy với giá trị V=0,6278 thoã mãn yêu cầu Ta có:
Mà phần mol pha lỏng xi và pha hơi yi tính được bằng cách thay các giá trị
và
vừa chọn được ở (1) và (2) ta thu được kết quả cho bảng (4) sau: Lượng cấu tử i trong pha lỏng: Xi = xi .L Lượng cấu tử i trong pha hơi: yi = xi .V Ta có cân bằng vật chất cuả tháp lần (1) F=V+L=
Bảng 4: Cân bằng vật chất của tháp 7 lần 1. Cấu tử  TP Ci  Ki 
 xi7  yi7  Xi7(kg/h)  Yi7(kg/h)   CH4  0,77000  1,47  148363,93  0,5945  0,747  42639,25  105723   C2H6  O,1474  0,415  28401,09  0,2395  0,09667  16706,16  11693,6   C3H8  0,06500  0,195  12524,2  0,1314  0,0256  9423,4  3096,7   C4H10  0,0144  0,098  2774,6  0,0332  0,0033  2350,96  399,18   C5H12  0,0032  0,042  616,58  0,008  0,0003  573,73  41,128   Tổng  1,0000   192680,4  1,0001  0,9999  71723,5  120953,67   Trong 192680,4 thì có :120953,67 kg/h khí và có 71723,5kg/h lỏng Vậy
;
b.Tháp 8:Lưu lượng đivào tháp 8 cũng chính là lượng lỏng tách ra từ đáy tháp 7.
ta chọn nhiệt độ trung bình của tháp 8 là : T=-20 Mpa; P=10Mpa thành phần hỗn hợp khí và hằng số cân bằng của từng cấu tử cho bảng 5 tại tháp 7 một lượng CH4 đã được tách ra do vậy trong tháp 8 phần lỏng tách được là tương đối nhiều tính toán tương tự bằng cách sử dụng phương pháp lặp như trên ta có: V=0,2 và L=0,8 Bảng5: Cân bằng vật chất tháp 8 lần 1 






  CH4  42639,25  0,5946  1,590  0,53184  30516,3  0,8456  12129,8   C2H6  16706,16  0,2329  0.445  0,26200  15033,2  0,1166  1672,59   C3H8  9423,400  0,1314  0.212  0,15598  8949,90  0,0330  474,350   C4H10  2380,960  0.0332  0.106  0,04040  2318,10  0,0043  61,3950   C5H12  573,7300  0.008  0,046  0,00980  562,300  0,0005  6,4550   Tổng  71723,50  1,0001   1,000  57379,8  0,9999  14344,5   V.2 Tính cân bằng vật chất cho các tháp chu trình lần 2(đãbắt đầu có hồi lưu) Khí lấy ra ở đỉnh tháp 8 đem trộn lẫn với dòng khí nguyên liệu đI vào tháp 7. Như vậy ở lần thứ 2 này đã bắt đầu có sự hồi lưu khí. Lưu lượng khối lượng của từng cấu tử đI vào tháp 7khi có hồi lưu khí trong chu trình lànn thứ n được tính theo công thức sau:
Thành phần cấu tư i lúc này là:
Cũng sử dụng phép tính lặp cho biểu thức
ta tìm được phần mol khí tách ra từ đỉnh tháp 7 và phần mol lỏng tách ra từ đáy tháp trong chu trình lần 2 là: L=0,3553 ; V=0,6467 Bảng6: Cân bằng vật chất ở tháp 7 lần 2. Cấu tử 






  CH4  160493,7  0,7752  1,470  0,5945  43482,8  0,8739  117000,3   C2H6  30073,68  0,1453  0,415  0,2337  17093,0  0,0970  12985,30   C3H8  12998,50  0,0627  0,195  0,1309  9577,90  0,0255  3414,010   C4H10  2835,995  0,0137  0,098  0,0330  2413,60  0,0032  431,1000   C5H12  623,0350  0,0030  0,042  0,008  587,100  0,0003  44,18000   Tổng  207024,9  0,9999   1,000  73154,0  0,9999  133874,0   Lưu lượng khối lượng khí đI vào tháp 8
. Tiếp tục sử dụng phép lặp theo công thức
Ta có kết quả sau:V=0,2 ;L=0,8 Bảng7: Cân bằng vật chất tháp 8 lần 2. 






  CH4  43482,8  0,5945  1,590  0,5318  31119  0,8455  12368,87   C2H6  17093,0  0,2337  0.445  0,2628  15378  0,1169  1710,140   C3H8  9577,90  0,1309  0.212  0,1554  9093,4  0,0329  481,3000   C4H10  2413,60  0.0330  0.106  0,0402  2352,3  0,0042  61,44000   C5H12  578,000  0.0080  0,046  0,0098  573,46  0,0005  6,580000   Tổng  73145,3  1,0000   1,000  58516,2  0,9999  14344,5   Kết quả tính toán cho thấy rằng lượng khí và thành phần khí đã ra ở đỉnh tháp 8 trong lần 2 là gần với kết quả trong lần 1. Như vậy công nghệ hoạt động đã tương đối ổn định. Vậy ta thấy lượng lỏng tách ra ở đáy tháp 8 sẽ được đưa sang làm nguyên liệu đầu vào của tháp 9. V.3 Tính cân bằng vật chất cho tháp 9. Nguyên liệu sau khi ra khỏi tháp 9 có sản phẩm đỉnh chưa 2,6% propan và sản phẩm đáy có 0,6% etan. Giả sử lượng hơibay ra ở đỉnh thiết bị ngưng tụ hoàn toàn nhiệt độ nạp liệu là Ts cần chưng cất để tách nguyên liệu vào tháp 9 thành sản phẩm đỉnh chứa 2,6% propan và 0,6% etan. Gọi: D là lượng sản phẩm đỉnh R là lượng sản phẩm đáy G là lượng nguyên liệu vào Ta tính được thành phần cấu tử i trongh sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy Ta có phương trình cân bằng khối lượng. G0.C1 = D.y1D + R.x1R \ G0.C2 = D.y2D + R.x2R G0.C3 = D.y3D + R.x3R G0.C4 = D.y4D + R.x4R G0.C5= D.y5D + R.x5R Thay các giá trị và coi X1R=0(vì CH4 là cấu tử nhẹ)và y4D;y5D (C4H10 và C5H12 là những cấu tử rất nặng) 58516,18 . 0,5318 = D.y1D + 0 58516,18 . 0,2628 = D.y2D + (58516,18 -D)0,006 58516,18 . 0,1554 = D .0,026 + (58516,18 - D)xR3 58516,18 .0,0402 = 0 + (58516,18 - D)xR4 58516,18 . 0,0098 = 0 + (58516,18 -D) xR5 Cộng 3 phương trình cuối lại ta có: 12019,223 = D . 0,026 + (58516,18 - D)(xR3+ xR4 + xR5) Mà: (xR3 + xR4 + xR5) = 1(do sản phẩm đỉnh) (xR3 + xR4 + xR5) = 1- 0,006 = 0,994 Do vậy D = 47671,34(kg/h) Vậy ta có các giá trị xR3; xR4; xR5; y1D; y2D cho bảng sau: Bảng 8: Cân bằng vật chất ở tháp 9. Cấu tử  Dòng nguyên liệu  Dòng sản phẩm  Dòng sphẩm đáy    Ci9  Gi9  yiD=xiD  DxiD  xiR  RxiR   CH4  0,5318  31119  0,65278  3118,897  0  0   C2H6  0,2628  15387  0,32122  15312,99  0  65,69   C3H8  0,1554  9093,42  0,026  1239,455  0,006  7853,94   C4H10  0,0402  2352,3  0  0  0,72421  2352,35   C5H12  0,0098  573,46  0  0  0,21961  573,453   Tổng  1,0000  58516,18  1,000  47671,34  0,99999  10844,812   V.3 Cân bằng vật chất ở thiết bị hồi lưu. Nhiệt độ của thiết bị hồi lưu được tính lặp ở áp suất 10 Mpa sao cho biểu thức :
Bảng 9: Cân bằng vật chất ở thiết bị hồi lưu 11. Cấu tử  yiD  Ki  xiD=yDi/ki   CH4  0,65278  1,94  0,33648   C2H6  0,32122  0,54