Thiết kế công nghệ ngưng tụ nhiệt độ thấp chế biến khí đồng hành

của metan, thành phần của các cấu tử chính và tạp chất thay đổi tuỳ thuộc vào các mỏ khí khác nhau. KTN và KĐH làm nguyên liệu để sản xuất etan, propan và các hợp chất khác, nhiên liệu cho động cơ đốt trong có chỉ số octan cao, và đặc biệt là khí hoá lỏng LPG và LNG và các hợp chất hydrocacbon khác. Trong KTN và KĐH các cấu tử chính là khí metan, etan, và propan, butan… và các hợp chất hydrocacbon nặng, với hàm lượng nặng đáng kể. Ngoài ra trong KTN và KĐH còn có một số chất khồg mong muốn như H2O, H2S, và các hợp chất lưu huỳnh , CO2,heli. Vì vậy muốn sử dụng được KTN và KĐH, chúng ta phải tách hỗn hợp chúng thành những cấu tử, hay hỗn hợp khí độc lập, nhằm loại các hợp chất có hại, tiết kiệm nhiên liệu, và giữ lại các cấu tử khí có lợi. Nhằm phục vụ tốt những đòi hỏi kỷ thuật mà các nghành công nghiệp khác yêu cầu.Một trong những phương pháp tách khí có hiệu quả nhất đó là phương pháp “chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp”. Phần I : tổng quan Giới thiệu về khí tự nhiên và khí đồng hành. Thành phần và đặc tính của khí tự nhiên và khí đồng hành Những cấu tử cơ bản của khí tự nhiên (KTN) và khí đồng hành (KĐH) là: Metan, Etan, Butan.. KTN được khai thác từ các mỏ khí, Còn KĐH được khai thác từ các mỏ dầu đồng thời với quá trình khai thác dầu mỏ. Trong khí tự nhiên thành phần chủ yếu là Metan ( chiếm 98% theo thể tích). Các mỏ khí tự nhiên là các túi khí nằm sâu đưới lòng đất. KĐH nhận được từ các mỏ dầu cùng với quá trình khai thác dầu mỏ. Trong thành phần của KĐH ngoài cấu tử chính là Metan còn có Etan, propan, butan và các hydrocacbon nặng với hàm lượng đáng kể. Thành phần của cấu tử cơ bản trong khí thay đổi trong một phạm vi khá rộng tuỳ theo mỏ dầu khai thác. Ngoài ra trong thàh phần KTN và KĐH còn có H2O, H2S cùng với các hợp chất chứa S, CO2, N2, và heli. Người ta còn phân loại khí theo hàm lượng hydrocacbon từ propan trở lên. Khí giàu Propan, Butan và các hydricacbon nặng ( trên 150g/cm3) được gọi là khí béo (hoặc là khí giàu). Từ khí này người ta chế biến được xăng, khí hoá lỏng (LPG) và các hydro cho công nghệ tổng hợp hữu cơ. Còn khí chứa ít hydrocacbon nặng (từ propan trở lên, dưới mức 50g/cm3) gọi là khí khô (hoặc là khí gầy), sử dụng làm nguyên liệu công nghệ tổng hợp hữu cơ, nguyên liệu cho sản xuất phân đạm, sản xuất Etylen, axetylen, Etanol,… Bảng 1: Thành phần KTN và KĐH khai thác từ một vài mỏ của CHLB Nga (% thể tích) Cấu tử KĐH KTN Bạch hổ Đại hùng Rồng Tiền hải Rồng tự do CH4 73,0 77,0 78,0 87,6 84 C2H6 13,0 10,0 3,0 3,1 6,0 C3h8 7,0 5,0 2,0 1,2 4,0 C4h10 2,9 3,3 1,0 1,0 2,0 C5H12 2,5 1,2 1,0 0,8 2,0 CO2 0,7 3,0 2,0 2,0 4,0 N2 0,5 3,0 2,0 2,0 4,0 KTN được khai thác tại vùng trủng Nam Côn Sơn (các mỏ Lan Tây, Lan Đỏ, Hồng Ngọc) có chưa tới 96% Metan, 2% Etan còn lại là các khí khác. Từ các số liệu trên cho thấy, các cấu tử cơ bản của KTN và KĐH là các hydrocacbon no, các parafin dảy đồng đẳng của Metan, Trong KTN Metan là chủ yếu, còn trong KĐH thành phần thay đổi trong khoảng khá rộng, các cấu tử từ C2 trở lên đã chiếm phần đáng kể trong thành phần khí. Điều đó rất quan trọng trong việc lựa chọn công nghệ chế biến thích hợp, sử dụng nguồn nguyên liệu và sản phẩm nhận được. Chế biến KTN, KĐH trên thế giới và ở Việt Nam. KTN và KĐH được khai thác từ trong lòng đất là hỗn hợp của dảy Metan gồm có: Metan, Etan, Propan, Butan….Ngoài ra trong thành phần của khí còn có: He, N2, CO2, H2S…. Metan tan là thành phần chính của KTN, được sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu cho lò nung và lò hơi. Etan, Propan, Butan và hydrocacbon nặng dùng chủ yếu cho công nghiệp hữu cơ. Vì vậy ở CHLB Nga và các nước công nghiệp phát triển, việc sử dụng hợp lý các hydocacbon có ý nghĩa rất lớn. KTN và KĐH là nguồn cung cấp nguyên liệu quan trọng cho công nghiệp hoá học và hoá dầu. Ví dụ, ở Mỹ từ Etan đã chế biến 40% Etylen phục vụ cho công nghệ nhựa tổng hợp, Oxit Etylen, chất hoạt động bề mặt, nhiều sản phẩm và bán sản phẫm hoá học khác. ở Mỹ do sử dụng Etylen với hiệu quả cao nên việc sản xuất Etan đã tăng 24ữ31%. ở Mỹ và Canada, để vận chuyển Etan người ta dã xây dựng những đường ống dẫn khổng lồ. ở các nước Tây Âu, sau khi tìm ra các mỏ KTN lớn đã tăng cường sự quan tâm đến các nguyên liệu nhiệt phân nhẹ, bởi vì sử dụng Etan trong công nghiệp hoá học và công nghiệp hoá dầu có hiệu quả và có sự cân bằng giữa sản xuất và nhu cầu Etylen. Mặt khác, Butadien và các sản phẩm phụ khác của quá trình nhiệt phân xăng cũng là các nguyên liệu rất cần thiết. Việc sử dụng Etan cho phép giảm đầu tư vào sản xuất Etylen, rút ngắn thời hạn xây dựng các dây chuyền công nghệ hoá học và hoá dầu khép kín (Etylen-Polyetylen, etylen-rược etylic, …) bởi vì khi nhiệt phân Etan cho hiệu suất sản phẩm phụ tối thiểu (hiệu suất Etylen từ Etan là 70%, từ xăng là 27%, từ gazolin là 15%). KTN và KĐH không chỉ là nhiên liệu và nguyên liệu để sản xuất Etan, propan và các hợp chất khác. 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 cho nhiều ngành kinh tế quốc dân ở Việt nam cho đế nay đang khai thác 6 mỏ dầu và một mỏ khí, hình hành 4 cụm khai thác dầu quan trọng: - Cụm thứ nhất nằm ở vùng đồng bằng Bắc Bộ, gồm nhiều mỏ khí nhỏ, trong đó có Tiền Hải-“C” trử lượng khoảng 250 tỷ m3 khí, đã khai thác từ tháng 12/1981 với trên 450 triệu m3 khí phục vụ công nghiệp địa phương. Với các phát hiện mới trong khu vực này, đây là cơ sở nguyên liệu cho công nghiệp khí ở các tỉnh phía Bắc. - Cụm mỏ thứ 2 thuộc vùng biển Cửu Long, gồm chuổi 4 mỏ dầu: Bạch Hổ, Rồng, Rạng Đông, Rubi, là cùng quan trọng hiện nay cung cấp trên 96% sản lượng dầu toàn quốc. - Cụm mỏ thứ 3 ở vùng biển nam Côn Sơn, gồm mỏ dầu Đại Hùng đang khai thác và 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 4 tại thềm lục đia Tây Nam bao gồm mỏ: Bunga, Kekwa-Cái Nước đang khai thác dầu, mỏ Bunga Orkid, BungPakma, Bunga Raya tại khu vực thoả thuận thương mại Việt nam-Malaysia sẽ làm khu khai thác và cung cấp khí lớn thứ 2 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, nước ta có điều kiện phát triển công nghiệp dầu khí trên toàn lãnh thổ. Khai thác và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá này, tương lai ngành công nghiệp dầu khí sẽ là một ngành công nghiệp phát triển mạnh, đóng góp đáng kể vào sự nghiệp phát triển của đất nước. II.Các phương pháp chuẫn bị chế biến khí. Khí tự nhiên (KTN) và khí đồng hành (KĐH) là những tài nguyên rất có gía trị để sản xuất nhiên liệu và nguyên liệu cho tổng hợp hoá dầu. Các sản phẩm chính của quá trình chế biến các khí đó là: xăng, khí hoá lỏng , và các khí khô, các hydricacbon: propan, izo-bun, n-butan, pentan. Chế biến KTN và KĐH được thực thiện ở các nhà máy đặt ngay tại xí nghiệp khai thác, chế biến KTN và KĐH. Khí sau khi khai thác ngoài các cấu tử chính là các hydrocacbon parafin còn chứa các tạp chất như: bụi, hơi nước, khí trơ, CO2, H2S và các hợp chất hữu cơ của lưu huỳnh. Tước khi đưa vào chế biến, khí cần phải qua công đoạn chuẩn bị, tại đó tiến hành loại bỏ các tạp chất kể trên bằng quá trình tách bụi, tách hơi nước và khí axít. Có rất nhiều các phương pháp loại bỏ cơ học như: Làm sạch khí bằng phương pháp lắng. Làm sạch khí bằng phương pháp ướt. Làm sạch khí bằng phương pháp lọc. Làm sạch khí bằng phương pháp điện trường. Các phương pháp trên có nhiều ưu nhược điểm: - Đối với phương pháp lắng dưới của tác dụng của trọng lưc thì thiết bị cồng kềnh, hiệu quả thấp, nhưng đơn giản thông dụng. - Đối với phương pháp lọc dưới tác dụng của lực ly tâm thì thiết bị gọn hơn, song không thể lọc hoàn hảo được đối vơí hạt nhỏ, phương pháp tốn nhiều năng lượng. - Đối với phương pháp làm ướt thì khí làm nguội bão hào hơi nước nên một số trường hợp không dùng. - Đối với phương pháp điện trường là có ưu điểm hơn cả: +Độ sạch cao: 90-99% +Năng lượng tiêu hao ít +Trở lực không quá 3-5 mm cột nước +Tiến hành ở nhiệt độ cao, trong môi trường ăn mòn hoá học. +Có thể tự động hoá và cơ khí hoá hoàn toàn. +Nhưng cũng có nhược điểm là tiền chi phí cao và tiêu hao điện năng lớn. Sự có mặt của nước trong khí có thể tạo hydrat, cản trở quá trình vận hành của các thiết bị trong quá trình chế biến khí ( như bơm, quạt, máy nén…). Để hạn chế tác hại của hiện tượng này, khí cần được dehydrat bằng cách sấy khí hoặc trộn thêm vào khí hoặc trộn thêm vào khí tác nhân ức chế quá trình tạo hydrat. Mục đích của quá trình sấy khí hay dùng chất ức chế tạo hydrat là tách bớt lượng hơi nước và tạo ra cho khí có nhiệt độ điểm sương theo nước thấp hơn so với nhiệt độ cực tiểu mà tại đó khí được vận chuyển hay chế biến. Có nhiều phương pháp để sấy khí: - Sấy khí bằng phương pháp hấp thụ - Sấy khí bằng phương pháp hấp phụ. - Sử dụng chất ức chế quá trình tạo hydrat. Để làm sạch khí khỏi H2S, CO2 và các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh ta thường sử dụng các dung môi hữu cơ sau: - Làm sạch bằng dung môi Alknol amin - Làm sạch bằng dung môi vật lý và dung môi tổng hợp. III. Cơ sở hoá lý 1. Phương trình trạng thái của hydrocacbon. Các tín chất vật lý của KTN và KĐH phụ thuộc vào các thông số của hổn hợp và thành phần hoá học của nó. Thành phần của hệ nhiều cấu tử có thể biểu diễn bằng nồng độ phần khối lượng (xi,), theo phần mol (xi), hoặc theo thể tích (vi). Như vậy nếu gọi gi là khối lượng của cấu tử thứ i trong hổn hợp thì nồng độ phần khối lựợng của cấu tử i được biểu diển bằng biểu thức sau: Xi, = gi / ∑ gi (1) Tương tự, ni là số mol của cấu tử i trong hổn hợp khí thì nồng độ phần mol của cấu tử thứ i sẻ được biểu diển bằng biểu thức: Xi = ni / ∑ ni (2) Vi là thể tích cấu tử thứ i trong hỗn hợp khí thì nồng độ phần mol của cấu tử phần mol của cấu tử thứ i được biểu diển bằng biểu thức sau: vi = Vi / ∑ Vi (3) Giữa các nồng độ có quan hệ với nhau và có thể tính chuyển đổi từ nồng độ này sang nồng độ khác. Khi tính toán quá trình chế biến khí, cần thiết phải xác định tính chất nhiệt động của các chất và hỗn hợp của chúng như entapi, entropi, tỷ trọng, fugat. Để xác định các đại lượng trên, người ta sử dụng phương trình trạng thái xác định quan hệ giữa nhiệt độ, áp suất và thể tích của hệ. Với hệ khí lý tưởng chúng ta có phương trình trạng thái: PV = nRT (4) Tính chất nhiệt động của KTN, KĐH và các cấu tử của chúng rất khác với khí lý tưởng, đặc biệt ở nhiệt độ thấp và áp suất cao. Vì vậy không thể sử dụng phương thình trạng thái khí lý tưởng để xác định các tính chất của chúng. Do đó, có rất nhiều phương trình trạng thái mô tả hệ khí thực. - Phương trình hệ Van der Waals: (p + a/v2) (v - b) = RT (5) Trong đó: a,b là các hằng số tương quan; v là thể tích mol. - Phương trình Benedict – Webb – Rubin (BWR): Phương trình có chứa 8 hằng số: P = RTρ = ( B0RT – A0 – C0/T2).ρ2 + (bRT – a ).ρ3 + aαρ3 + (cρ3/T2).(1 + γρ2).e-γρ2 (6) Trong đó: A0, B0, C0, a, b, c, α và γ là các hằn số quan hệ; P là áp suất; T là nhiệt độ tuyệt đối; ρ là tỷ trọng mol. - Phương trình Redlich – Kwong (RK): (7) Trong đó: a, b là các hằn số quan hệ; v là thể tích mol. - Phương trình Peng _ Robinson (PR). (8) Trong đó: a, b là các hằng số quan hệ; v là thể tích mol. Các phương trình BWR, RK và PR còn gọi là phương trình trạng thái lập phương vì khi viết cho thể tích chúng chứa mủ lập phương. Các hằng số a, b là hàm của nhiệt độ tới hạn Tc , áp suất tới hạn Pc và thừa số ω gọi là thứa số acentric. Thừa số ω được xác định từ phương trình sau: ω = - log Pr – 1 (9) trong đó : Pr = P* / Pc (10) P* là áp suất hơi ở T = 0,7 Tc; Pc là áp suất tới hạn; Tc là nhiệt độ tới hạn. Thừa số ω được sử dụng phổ biến như một công cụ để hiệu chỉnh sự sai lệch trong phương trình trạng thái khí thực. Người ta còn đưa ra thông số hiệu chỉnh z và phương trình trạng thái có dạng đơn giản: PV = z RT (11) Trong đó z là hàm số của các thông số của các phương trình trạng thái nói trên. Phương trình trạng thái có thể dưới dạng: (12) Trong đó (MW) là khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp khí. Phương trình (12) dùng khi cần tính toán tỷ trọng của khí ở nhiệt độ T và áp suất P. 2. Cân bằng pha của quá trình ngưng tụ. Quá trình làm lạnh khí có thể coi là quá trình làm lạmh đẳng áp ( nếu bỏ qua một vài áp suất khí quyển chuyển động trong đường ống và thiết bị công nghệ) cho tới nhiệt độ tương ứng với áp suất đó sẽ xuất hiện pha lỏng. KĐH và KTN là hỗn hợp nhiều cấu tử, do quá trình chuyển pha và các vùng tới hạn của chúng khác nhiều so với các quá trình tương ứng của các chất tinh khiết. Đối với chất riêng biệt bao giờ củng tồn tại điểm tới hạn và tương ứng với điểm đó là nhiệt độ và áp suất tới hạn. Khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn, thì chất sẽ tồn tại ở trạng thái một pha, khi đó dù có thay đổi giá trị của bất kì tổ hợp các thông số nào củng không thể đưa chất đó về trạng thái hai pha được. Hình 1: Giản đồ áp suất – nhiệt độ Hình 2: Giản đồ áp suất- nhiệt độ Điểm tới hạn K nằm bên trái điểm M và N Điểm tới hạn K nằm giữa điểm M và N Điều đó có nghĩa là quá trình hoá lỏng một phần hay toàn bộ của một cấu tử bằng phương pháp nén chỉ thực hiện được khi hạ nhiệt độ đó xuống dứơi nhiệt độ tới hạn. Trong hỗn hợp hay dung dịch nhiều cấu tử, vùng tới hạn thường là một khoảng rộng các thông số và phụ thuộc vào thành phần của khí. Xét trạng thái hệ nhiều cấu tử trong hai giản đồ P.T ( Hình 1 - 2 ) ta thấy có 3 điểm khác nhau: - Điểm K - điểm tới hạn, tại đó hai pha trở thành một pha - Điểm M - điểm tương ứng với áp suất lớn nhất mà tại đó hỗn hợp có thể tồn tại ở trạng thái 2 pha. - Điểm N - điểm tương ứng với nhiệt độ lớn nhất mà tại đó hỗn hợp có thể tồn tại ở trạng thái 2 pha. Những giá trị cực đại của áp suất và nhiệt độ, mà tại đó hỗn hợp nhiều cấu tử có thể tồn tại ở trạng thái hai pha được gọi là áp suất và nhiệt độ ngưng tụ tới hạn của hỗn hợp. Lưu ý nhiệt độ tương ứng với áp suất tới hạn trên giản đồ P-T không bằng nhiệt độ ngưng tụ tới hạn của hỗn hợp nhiều cấu tử. Vị trí tương hổ của các điểm M, N và K trên giản đồ P-T phụ thuôc vào thành phần của hỗn hợp. Đối với hỗn hợp hydrocacbon điểm K có thể nằm giửa điểm M và N hay nằm phía bên trái điểm M và N hay nằm phía bên trái điểm M; đường cong đơn nét liền KTK biểu diễn đường cong điểm sôi, còn đường cong đôi nét liền và nét đứt KTP biểu diễn đường cong điểm sương. Trên hình( 1-2 ) , ta thấy trong vùng không gạch chéo của hỗn hợp khí thể hiện như khí một cấu tử, nhưng có điểm khác là quá trình chuyễn pha của khí một cấu tử xảy ra ở nhiệt độ và áp suất không đổi, còn với hỗn hợp nhiều cấu tử của quá trình đó xảy ra trong khoảng nhiệt độ bc (b1c1). Thật vậy, khi nhiệt độ được nâng đẳng áp từ điểm a (a1) đến điểm b (b1) bắt đầu hình thành pha hơi. ở giữa hai điểm b và c (b1 và c1) tồn tại hai pha lỏng và hơi. Khi tiếp tục tăng nhiệt độ đến điểm c(c1) toàn bộ trạng thái sẽ chuyễn sang trạng thái hơi. Quá trình làm lạnh đẳng áp ngược lại từ điểm d(d1) đến điểm a(a1) củng xảy ra tương tự ngoài vùng AMK và KMA. Quá trình nến hay giãn nỡ đẳng nhiệt ngoài vòng được giới hạn bởi nhiệt độ TK và TM củng xảy ra tương tự như đối với khí một cấu tử, chỉ khác là pha lỏng được hình thành ( hay bay hơi) trong một khoảng áp suất chứ không phải ở một áp suất nhất định. Thật vậy, khi nén hỗn hợp từ điểm e(e1) tới điểm g(g1) lúc đầu hỗn hợp khí được nén lại, sau đó tại điểm f(f1) bắt đầu quá trình ngưng tụ. Giữa hai điểm f(f1) và h(h1) tồn tại hệ hai pha, còn tại điểm h(h1) toàn bộ hỗn hợp chuyễn sang trạng thái lỏng. Trong vùng gạch chéo nếu tiến hành quá trình nén đẳng nhiệt độ từ nhiệt độ tới hạn K đến nhiệt độ ngưng tụ tới hạn (TK và TM ) thì hỗn hợp nhiều cấu tử thể hiện khác hẳn so với hệ một cấu tử. Tại điểm k(k1) hệ khí nằm ở pha hơi, tại điểm l(l1) bắt đầu ngưng tụ một phần; trong khoảng giữa hai điểm l cà m (l1 và m1) tồn tại hệ hai pha (ngay cả tại điểm m) sau đó hệ lại chuyễn sang hệ một pha hơi, mặc dù áp suất vẫn tăng. Quá trình bay hơi chất lỏng khi tăng áp suất được gọi là quá trình bay hơi ngược. Nếu thực hiện quá trình theo hướng ngược lại từ điểm n(n1) tới điểm k(k1) thì tại điểm m bắt đầu quá trình ngưng tụ, quá trình này xảy ra khi giãn nỡ đẳng nhiệt. Hiện tượng tạo thành chất lỏng trong quá trình giãn nỡ đẳng nhiệt hỗn hợp hơi được gọi là quá trình ngưng tụ ngược. Hiện tượng tương tự củng xảy ra trong vùng AMK và KMA khi đun nóng và làm lạnh hỗn hợp. Thật vậy, nếu điểm K nằm giữa hai điểm M và N thì trong quá trình đun nóng hỗn hợp với áp suất không đổi từ điểm o đến điểm s, lúc đầu hỗn hợp ở pha lỏng, sau đó tại điểm p bắt đầu sôi, tức là bắt đầu xuất hiện pha hơi; còn tại điểm r bắt đầu chuyễn sang pha lỏng mặc dù nhiệt độ vẩn tăng. Như vậy trong khoảng op sẽ tồn tại pha lỏng, còn trong khoảng pr tồn tại hệ 2 pha, trong khoảng (rs) chỉ tồn tại pha lỏng. Hiện tượng này cũng được gọi là ngưng tụ ngược. Tuy nhiên hiện tượng đó chỉ xảy ra trong quá trình đun nóng đẳng áp tại các vùng trên khi điểm K nằm giữa điễm M và N. Nếu thực hiện quá trình làm lạnh đẳng áp ngược lại thì trong vùng AMK giữa hai điểm r và p sẽ xảy ra quá trình bay hơi mặc dù giảm nhiệt độ ( bay hơi ngược). Nếu điểm K nằm bên trái điểm M và N thì khi gia nhiệt đẳng áp theo o1, p1, r1, s1 sẽ xảy ra quá trình ngưng tụ ngược trong vùng KMA, còn khi làm lạnh đẳng áp (quá trình ngược lại) tại điểm p1 bắt đầu quá trình bay hơi ngược (khi giảm nhiệt độ). ở đây ta chỉ xét quá trình ngưng tụ khí đồng hành và khí tự nhiên ngoại vùng tới hạn và các thông số tới hạn. Như dã biết các cấu tử của KĐH và KTN ( mêtan, etan…) có các nhiệt độ ngưng tụ khác nhau, do đó quá trình lam lạnh xảy ra như sau: Khi giảm nhiệt độ của hỗn hợp thì sẽ đến lúc một cấu tử nào đó sẽ ngưng tụ. Tất nhiên cấu tử ngưng tụ đầu tiên sẽ là cấu tử có nhiệt độ ngưng tụ( tương ứng với áp suất riêng phần của hỗn hợp) 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 đặc điểm là chúng hoà tan trong hydrocacbon lỏng. Do đó chuyển sang pha lỏng không những chỉ có các cấu tử có thể ngưng tụ tại giá trị nhiệt độ và áp suất riêng phần đó mà các cấu tử khác có nhiệt độ tới hạn thấp hơn cả nhiệt độ của hỗn hợp tại thời điểm đó. Sự hoà tan khí vào chất lỏng hay ngưng tụ luôn kèm theo sự toả nhiệt. Lượng nhiệt khi toả ra củng xấp xỉ khi ngưng tụ về trị số. Khi giảm nhiệt độ sẽ tăng lượng chất lỏng được tạo thành, đồng thời cũng làm thay đổi thành phần pha lỏng, chất lỏng giàu các cấu tử dể bay hơi. Đồng thời cả pha khí cũng giàu các cấu tử dể bay hơi ( khi ngưng tụ các cấu tử nặng). Khi tiếp tục làm lạnh hỗn hợp quá trình này vẫn tiếp tục xảy ra cho đến khi ngưng tụ hoàn toàn pha khí. Trong quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp (NNT) quá trình làm lạnh khí chỉ diễn ra tới khi đạt được mức độ ngưng tụ định trước của pha hơi( trong hỗn hợp ban đầu) và 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 ( phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp và áp suất trong hệ). Nhiệt độ này tạo được bằng cách cung cấp cho quá trình một lượng tính trước (nhiệt lạnh cần thiết). Cùng một mức độ ngưng tụ ( của hỗn hợp khí ban đầu) có thể đạt được bằng những 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 ở nhiệt độ không đổi sẽ tăng lên và xảy ra quá trình tương tự như làm lạnh đẳng áp. Khi tăng áp suất độ chọn lựa trong quá trình ngưng tụ sẽ giảm. Cường độ thay đổi nhiệt độ không tỷ lệ thuận với sự thay đổi áp suất và nhiệt độ. Trong khoảng giá trị nhỏ mức độ ngưng tụ sẽ thay đổi rất nhanh khi thay đổi giá trị áp suất. Khi tiếp tuc tăng áp suất cường độ ngưng tụ sẽ giảm. Điều đó cũng sảy ra với sự thay đổi nhiệt độ mức độ ngưng tụ sẽ tăng khi giảm nhiệt độ nhưng tới một giá trị nhất định nào đó của nhiệt độ ( phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp ban đầu) khi tiếp tục giảm nhiệt độ thì quá trình ngưng tụ sẽ giảm lại. Mức độ ngưng tụ các hydrocacbon sẽ tăng khi áp suất tăng ở nhiệt độ không đổi hoặc khi giảm nhiệt độ ở áp suất không đổi. Tuy nhiên quá trình ngưng tụ của hai trường hợp sẽ xảy ra khác nhau. Khi áp suất và giử nhiệt độ không đổi mức độ ngưng tụ sẽ tăng lên, nhưng sự ngưng tụ các cấu tử hydrocacbon sẽ kém đi, trong pha lỏng cùng với các cấu tử nặng sẽ có một lượng đáng kể các cấu tử nhẹ hoà tan. Ngược lại khi giảm nhiệt độ và giử nguyên áp suất mức độ ngưng tụ tăng lên cùng với sự phân tách các cấu tử hydrocacbon nặng và nhẹ tốt hơn. Khi tăng đồng thời chuyển sang pha lỏng của tất cả các cấu tử thì các cấu tử nặng cũng chuyễn sang pha lỏng nhanh hơn. IV.CáC PHƯƠNG PHáP CHế BIếN KHí. Chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp ( NNT ). Phương pháp ngưng tụ khí ở nhiệt độ thấp -250C ữ -350C, áp suất cao 3,0 ữ 4,0 Mpa, ngày nay người ta có thể sử dụng tới P = 10MPa, được coi là phương pháp có hiệu quả và kinh tế để chế biến KTN và KĐH. KĐH từ xí nghiệp khai thác dầu được nén bằng máy nén khí, sau đó được làm lạnh và đưa vào thiết bị sấy khí. Khí sau khi được sấy đưa qua trao đổi nhiệt làm nguội và đưa vào thiết bị ngưng tụ nhiệt độ thấp. Tại đó khí nén được làm lạnh tới nhiệt độ cần thiết, sau đó đưa sang bộ phận tách khí, ở đó một phần hydrocacbon đã ngưng tụ tách ra. Phần ngưng tụ ( gọi là condensat ) của bậc nén khí và làm lạnh KĐH, 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 là phần ngưng tụ đã được tách metan và etan qua thiết bị trao đổi nhiệt vào thùng chứa từ đó nó được đưa đi chế biến tiếp. Phương pháp NNT để tách gasoile từ KĐH là rất tốn kém, để làm lạnh cần có thiết bị làm lạnh phức tạp. Tuy nhiên sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản, hiệu quả tách gasoile khỏi KĐH khá cao và triệt để nên những năm gần đây phương pháp này được ứng dụng rộng rải trong công nghiệp chế biến khí. 2.Chế biến khí bằng phương pháp hấp thụ nhiệt độ thấp (HNT ). Trong nhà máy chế biến khí quá trình hấp thụ và quá trình nhả hấp thụ được tiến hành trong các phương pháp hấp thụ và chưng cất loại đĩa hay đệm. Thông thường hai thiết bị trên kết hợp với nhau thành chu trình kín, dung môi sau khi hấp thụ khí ( tại tháp hấp thụ ) sẽ đi qua tháp chưng cất, tại đây sẽ xảy ra quá trình nhả hấp thụ phần khí được thu ở đỉnh tháp được đem đi chế biến hay sử dụng, phần dung môi tái sinh thu hồi ở đỉnh tháp được đưa ngược lại tháp hấp thụ khí ( trong các nhà máy chế biến khí dung môi hấp thụ thường được sử dụng là phân đoạn xăng , dầu hoả hay hỗn hợp của hai loại trên. Hình 3: Sơ đồ nguyên lý 3. Chế biến khí bằng phương pháp chưng cất nhiệt độ thấp ( CNT ) Sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp ( CNT ) thực hiện quá trình tách các cấu tử định trước hiệu quả hơn sơ đồ HNT và thiết bị chế tạo cũng đơn giản hơn. Khác về mặt nguyên lý giữa sơ đồ CNT và NNT là NNT luôn tồn tại các chu trình làm lạnh phức tạp, khí càng khô cần làm lạnh càng sâu, ở các tháp tách pha thường làm lạnh đến -900C. Còn trong CNT quá trình tách thông thường không cần làm lạnh sâu (chỉ từ -30 ữ 400C ) và không có tháp tách pha, nguyên liêu được đưa thẳng vào tháp chưng và khí khô đi ra ở đỉnh tháp còn phân đoạn hydrocacbon nặng lấy ra ở đáy tháp. Phụ thuộc vào sơ đồ nguyên lý của quá trình CNT, thiết bị cơ bản của quá trình là các tháp chưng bốc hơi và tháp ngưng tụ bốc hơi. Hình 4: Sơ đồ tháp chưng – Bốc hơi Hình 5: Sơ đồ tháp ngưng tụ – Bốc hơi Qua quá trình nghiên cứu 3 sơ đồ công nghệ chế biến khí trên em nhận thấy rằng công nghệ chế biến khí bằng phương pháp NNT mang lại hiệu quả cao nhất nó rất phù hợp với tình hình kinh tế hiện nay của nước ta, đây là công nghệ chế biến khí đơn giản, ta có thể dễ dàng triển khai, cũng như không đòi hỏi quá cao về quá trình vận hành, nguyên liệu và tác nhân phụ trợ, sản phẩm đáp ứng được yêu cầu đặt ra. V. Chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ (NNT). Sơ đồ công nghệ chế biến khí bằng phương pháp NNT có thể phân loại theo số bậc tách, kiểu nguồn làm lạnh, cách đưa sản phẩm ra. Theo kiểu nguồn làm lạnh có thể có: chu trình làm lạnh ngoài; chu trình làm lạnh trong; chu trình làm lạnh tổ hợp, trong đó nguồn lạnh bao gồm cả chu trình làm lạnh ngoài và chu trình làm lạnh trong. Chu trình làm lạnh ngoài không phụ thuộc vào sơ đồ công nghệ có tác nhân làm lạnh đặc biệt. Tuỳ thuộc vào dạng tác nhân làm lạnh mà chu trình làm lạnh ngoài có thể chia thành hai nhóm: nhóm một tác nhân làm lạnh và nhóm nhiều tác nhân làm lạnh ( trong đó thường các hydrocacbon nhẹ ). Chu trình làm lạnh ngoài sử dụng hai hoặc nhiều tác nhân lạnh một cấu tử được gọi là chu trình lạnh nhiều bậc. Trong chu trình làm lạnh trong, tác nhân làm lạnh chính là dòng khí đưa vào chế biến. Chu trình làm lạnh trong có thể chia thành hai nhóm. Nhóm tiết lưu dòng sản phẩm lỏng; nguồn lạnh khi tiết lưu dòng ngưng tụ 1 và 2 của quá trình ngưng tụ hay dòng hồi lưu của quá trình khử etan và khử metan. Nhóm dùng van giảm áp; nguồn lạnh tạo ra nhiệt độ thấp thu được nhờ hiệu ứng nhiệt động của quá trình giản nỡ khí bằng tuabin. Về nguyên tắc có thể sử dụng sơ đồ trong đó toàn bộ lượng lạnh cần thiết cho quá trình nhận được do được tiết lưu dòng condensat. Tuy nhiên sơ đồ các bộ phận tiết lưu trong trường hợp này là không tinh tế và phức tạp. Sử dụng tua bin giản nỡ khí làm nguồn nhiệt duy nhất chỉ trong trường hợp khí gầy và khí được truyền dẫn với áp suất tương ứng. KĐH thường được chế biến theo sơ đồ, trong đó chu trình làm lạnh ngoài bằng propan kết hợp với chu trình làm lạnh trong. Trong những sơ đồ như vậy ở bậc 1 người ta áp dụng chu trình làm lạnh trong, làm lạnh khí với khoảng -300C, còn ở bậc 2 để nhận được nhiệt độ thấp hơn người ta sử dụng chu trình làm lạnh trong. Theo yêu cầu nhận sản phẩm ra, sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp được chia thành sơ đồ để nhận C> 2 và sơ đồ để nhận C>3 1. Sơ đồ ngưng tụ có chu trình làm lạnh ngoài. a. Sơ đồ NNT một bậc để nhận C>3 có chu trình làm lạnh propan. Hình 6: Sơ đồ ngưng tụ NNT một bậc 1,7.Bộ phận tách khí; 2. bộ phận nén khí; 4,5. Thiết bị trao đổi nhiệt; 6,10. Bộ phận bay hơi propan; 8. Tháp tách etan; 9. Hồi lưu; 11. Bộ phận đun nóng. Trên hình này là biển diễn sơ đồ công nghệ của nhà máy chế biến khí làm việc theo phương pháp NNT. Đây là sơ đồ công nghệ cổ điễn đã được ứng dụng rộng rải. Sơ đồ có một nguồn lạnh bên ngoài – chu trình làm lạnh bằng propan và một cụm phân tách hỗn hợp hai pha. Theo sơ đồ thì khí được chế biến như sau: Khí nguyên liệu được đưa vào bộ phận tách khí sơ bô (1), tại đây nó được làm lạnh khỏi các tạp chất cơ học và các chất lỏng dạng hạt( dầu, nước, chất lỏng ngưng tụ…) Sau khi được làm sạch sơ bộ trong thấp tách (1), khí được đưa vào máy nén (2), tại đây khí được nén tới áp suất 3,0 ữ 4,0 Mpa và cao hơn. khí nén đi qua thiết bị làm mát bằng không khí (3), được làm mát tới nhiệt độ (-200C) ữ (-350C) lần lượt trong các thiết bị trao đổi nhiệt (4) và (5) do dòng lạnh của khí khô và chất lỏng ngưng tụ từ tháp phân tách (7), ở đó hydroacbon đã ngưng tụ được tách ra. Từ đỉnh tháp (7) khí khô thoát ra, sau khi truyền lạnh ở bộ phận trao đổi nhiệt (4) được đưa vào đường ống dẫn khí chính. Từ đáy tháp (7), phần ngưng tụ ( condensat ) được tháo ra, sau khi được truyền lạnh ở bộ phận trao đổi nhiệt (5), nhiệt độ được nâng lên 20 ữ 300C và đưa vào phần giữa tháp tách etan (8). Sản phẩm đỉnh tháp gồm có hỗn hợp metan ( không quá 5% thể tích ) được trộn lẫn với khí khô, đưa vào đường ống dẫn khí chính. Sản phẩm đáy tháp chính là phân đoạn chứa hỗn hợp propan và hydrocacbon nặng C>3, được sử dụng để sản xuất propan, butan, pentan và khí xăng hoặc khí đốt cho sinh hoạt (đun, nấu, sưởi…). Việc tách các phân đoạn rộng hydrocacbon được tiên hành trong thiết bị chưng cất phân đoạn, các thiết bị này có thể lắp đặt tại các nhà máy chế biến khí, chế biến dầu hoặc hoá dầu. Hiệu quả làm viêc của tháp tách etan phụ thuộc vào chế độ công nghệ của quá trình, chế độ hợp lý nhất được chọn trên cơ sở tối ưu hoá quá trình theo hàng loạt thông số ( áp suất, nhiệt độ, nguồn cung cấp nhiệt…). Ta đã biết nếu áp suất trong tháp khử etan càng cao thì máy lạnh (10) có thể làm việc ở chế độ đẳng nhiệt cao hơn, do đó tăng áp suất có thể làm giảm chi phí năng lượng trong quá trình làm nguội của đỉnh tháp, điều đó lại dẫn tới phải tăng chi phí nhiệt. Khi giảm áp suất trong tháp tách etan ta sẽ thấy quy luật ngược lại. Tháp tách etan là loại tháp chưng cất có từ 10 ữ 12 đĩa. áp suất trong tháp từ 3,0 ữ 3,5 MPa. Một mặt trong các điều kiện chế biến khí bằng phương pháp NNT dưới áp suất 4.0 Mpa, việc duy trì áp suất như vậy không yêu cầu tiêu tốn năng lượng bổ sung nào, mặt khác áp suất cao như vậy trong tháp tách etan cho phép sử dụng tác nhân làm lạnh là propan để làm lạnh ở đỉnh tháp. Việc sử dụng áp suất cao hơn không có lợi, bởi vì khi đó có điều kiện tách khí sẽ trở nên kém hơn. áp suất 3,5 MPa gần bằng 0,8 lần áp suất đó, chế độ của tháp tách etan được khống chế như sau: nhiệt độ đỉnh tháp từ -30 ữ00C, nhiệt độ đáy tháp từ 90 ữ 1200C. b. Sơ đồ NNT một bậc để nhận C>3 có chu trình làm lạnh bằng propan và tách sơ bộ etan. Do độ lựa chọn của quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp một bậc không được tốt lắm do đó phải chi phí nhiều năng lượng cho quá trình tách etan. Trong đó năng lượng được tiêu tốn cho quá trình ngưng tụ (hoà tan) các cấu tử dể sôi (trong sơ đồ tách C3 và các phân đoạn cao là metan và etan), sau đó là dùng để bay hơi trong quá trình tách etan các cấu tử nhẹ. Do đó trong những năm gần đây trong sơ đồ NNT một bậc người ta bổ sung thêm công đoạn tách sơ bộ etan, tại đây etan được tách ra một phần do nhiệt của khí nguyên liệu đưa vào ở bên ngoài của tháp tách etan. Hình 6 : Sơ đồ NNT có tách sơ bộ etan 1.máy nén; 2. Thiết bị làm lạnh bằng không khí; 3,4,5. Thiết bị trao đổi nhiệt; 6,11. Thiết bị bay hơi propan; 7,8. Tháp tách; 9. Tháp tách etan; 10. Bình chứa hồi lưu; 12. Thiết bị đun sôi đáy tháp Trên sơ đồ NNT một bậc có ._.