bài tập lớn chế biến khí.revised
TRANSCRIPT
Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51
LỜI NÓI ĐẦU
Khí là nguồn nguyên nhiên liệu vô cùng quý hiếm, gần như không thể thay thế
và tái sinh được, nó đóng vai trò cực kì quan trọng nếu không muốn nói là quyết định
trong thời đại văn minh hiện nay và trong vài chục năm nữa khi mà những nguồn
năng lượng khác vẫn chưa thể thay thế được. Mọi sự biến động của cán cân cung và
cầu của dầu khí đều lập tức ảnh hưởng đến mọi lĩnh vực kinh tế, đến chính sách xã
hội, thậm chí có thể dẫn đến xung đột vũ trang. Con người không dùng trực tiếp khí
thiên nhiên mà chế biến chúng thành các sản phẩm có tính chất kỹ thuật được chuẩn
hóa.
Do khí khi khai thaùc leân ngoaøi nhöõng thaønh phaàn chính
laø caùc hydrocacbon töø C1-C10 coøn chöùa caùc taïp chaát cô hoïc
vaø caùc phi hydrocacbon nhö : CO2, N2, H2S, H2O,...Tröôùc khi ñöa
vaøo caùc quaù trình taùch phaân ñoaïn khí thì caàn phaûi ñöa vaøo
quaù trình xöû lyù ñeå ñeå loaïi caùc taïp chaát cô hoïc vaø caùc
hôïp chaát phi hydrocacbon aûnh höôûng ñeán quaù trình cheá
bieán. Quá trình xử lý này cần phải có các thiết bị như tháp hấp thụ, thiết bị trao đổi
nhiệt, bình tách… nhưng chúng đều phải được thiết kế sao cho phù hợp với thành
phần khí cần xử lý , điều kiện làm việc, dung môi ... Để hiểu rõ vấn đề này chúng ta
đi tính toán tháp làm khô khí bằng Dietylen glycol (DEG).
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Danh Nhi đã giúp đỡ em hoàn
thành bài tập này.
Trong quá trình làm bài do thời gian có hạn nên không tránh khỏi những thiếu
xót, sai lầm. Mong thầy có ý kiến chỉnh sửa giúp em.
Em xin chân thành cảm ơn !
Vũng Tàu, ngày 03 tháng 04 năm 2010
Sinh vieân thöïc hieän
Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 1 -
Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51
Löu Thò
Höôøng
PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ KHÍ
I.1 Thành phần khí
Gồm các cấu tử chính là Hydrocacbon no từ C1 đến C12 (mà trong đó chủ yếu là C1
đến C4).
Trong khí thường chứa các tạp chất như: H2S, COS, CS2, RSH, khí trơ (He,
Ar…), N2, hơi nước… Söï coù maët caùc hôïp chaát cô hoïc trong khí,
noù gaây aûnh höôûng xaáu tôùi quaù trình hoaït ñoäng cuûa caùc
thieát bò, phöùc taïp trong quaù trình vaän chuyeån, khoâng an
toaøn trong söû duïng. Do vaäy, nguyeân lieäu vaøo phaûi ñöôïc
taùch caùc hôïp chaát cô hoïc và các hợp chất phi hydrocacbon có hại ra
khoûi khí. Nhìn chung quaù trình tách này gồm :
Taùch caùc taïp chaát cô hoïc.
Taùch condensate.
Taùch nöôùc (làm khô khí-khöû nöôùc).
Khöû khí axít (loaïi boû H2S, CO2...).
Taùch N2, vaø He.
Taùch Hg.
Taùch caùc phaân ñoaïn hydrocacbon
I.2 Các phương pháp làm khô khí
Mục đích : Trong doøng khí coù chöùa caùc phaân töû nöôùc, khi
gaëp ñieàu kieän nhieät ñoä aùp suaát thích hôïp thì noù taïo
thaønh caùc tinh theå hydrat, noù gaây bòt kín caùc ñöôøng oáng
daãn, gây ăn mòn thiết bị, làm giảm nhiệt trị của khí vaø aûnh höôûng ñeán
quaù trình laøm vieäc cuûa thieát bò vaän chuyeån. Quaù trình hình
Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 2 -
Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51
thaønh hydrat xaûy ra khi aùp suaát rieâng phaàn trong hoãn hôïp
khí lôùn hôn aùp suaát hôi baõo hoøa cuûa hydrat. Nhö vaäy, ñeå
laøm giaûm khaû naêng taïo thaønh hydrat thì phaûi laøm giaûm
haøm löôïng nöôùc trong khí, khi ñoù aùp suaát rieâng phaàn cuûa
hôi nöôùc trong khí seõ giaûm xuoáng thaáp hôn aùp suaát cuûa
hydrat, neân seõ laøm ngöng quaù trình taïo thaønh hydrat. Quaù
trình làm khô khí goàm coù boán phöông phaùp nhö sau:
Phöông phaùp laøm laïnh vôùi söû duïng chaát öùc cheá
Phöông phaùp haáp thuï
Phöông phaùp haáp phuï
Phöông phaùp thaåm thaáu
a. Phöông phaùp söû duïng chaát öùc cheá :
Veà nguyeân taéc ngöôøi ta bôm caùc chaát öùc cheá vaøo ñeå
ngaên caûn quaù trình taïo thaønh hydrat, chaát öùc cheá thöôøng
söû duïng glycol hoaëc meâtanol. Glycol thöôøng duøng laø DEG
(Dietylen glycol), TEG (tri etylen glycol), EG (etylen glycol) vôùi
noàng ñoä khoaûng 60-80% khoái löôïng.
Söï löïa choïn glycol phuï thuoäc vaøo nhieàu yeáu toá:
Nhieät ñoä ñoâng ñaëc cuûa dung dòch glycol
Ñoä nhôùt cuûa dung dòch glycol
Ñoä haï nhieät ñoä ñieåm söông ñoái vôùi noàng ñoä glycol
ñaõ cho
Thaønh phaàn khí
Khaû naêng hoøa tan cuûa glycol
Glycol duøng phaûi beàn nhieät vaø deã taùi sinh
Hoøa tan ít hoaëc khoâng hoøa tan trong hydrocacbon
Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 3 -
Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51
b. Phöông phaùp haáp thuï :
Ñaây laø phöông phaùp söû duïng roäng raõi nhaát trong coâng
ngheä cheá bieán khí. Veà nguyeân taéc, phöông phaùp naøy döïa
vaøo söï khaùc bieät veà aùp suaát rieâng phaàn cuûa hôi nöôùc
trong khí vaø trong dung moâi haáp thuï, khí tieáp xuùc ngöôïc
doøng vôùi dung moâi haáp thuï treân caùc ñóa van hoaëc ñeäm.
Chaát haáp thuï thöôøng duøng laø : DEG, TEG, EG. Moãi chaát haáp
thuï thì coù nhöõng öu vieät rieâng cuûa töøng loaïi, noùi chung
chuùng coù khaû naêng huùt aåm toát, khaù beàn vôùi söï coù maët
cuûa caùc khí axít, khoâng ñoâng ñaëc ôû nhieät ñoä thöôøng khi
dung dòch coù noàng ñoä cao. Nhöng nhöôïc ñieåm cuûa phöông
phaùp naøy laø chi phí ñaàu tö cao, khoù taùi sinh, cho nhieät ñoä
ñieåm söông cuûa khí cao, coù khaû naêng aên moøn kim loaïi,
ñieàu naøy ít mang laïi hieäu quaû cho quaù trình trình söû duïng
coâng ngheä.
c. Phöông phaùp haáp phuï :
Phöông phaùp naøy ñöôïc söû duïng khi yeâu caàu khí saûn
phaåm coù ñoä saïch cao. Quaù trình naøy ñöôïc tieán haønh khi
ngöôøi söû duïng moät pha raén coù beà maët rieâng lôùn, ñeå giöõ
laïi moät caùch choïn loïc treân beà maët noù caùc caáu töû caàn
taùch. Do vaäy, caùc chaát haáp phuï thöôøng ñöôïc ñaëc tröng
bôûi caáu truùc xoáp vôùi caùc mao quaûn raát nhoû ñeå taïo ra
beà maët rieâng lôùn. Caùc chaát haáp phuï thöôøng söû duïng laø :
Nhoâm hoaït tính, silicagen, ñaát seùt, zeolit.
Nhöõng öu nhöôïc ñieåm cuûa phöông phaùp:
+ Öu ñieåm : Cho hieäu suaát laøm saïch raát cao, coù theå
laøm giaûm haøm löôïng nöôùc xuoáng coøn 0,01 ppm vaø taïo ra
Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 4 -
Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51
cho khí coù nhieät ñoä ñieåm söông thaáp, ñoàng thôøi zeolit coù
theå laøm vieäc ôû nhieät ñoä cao.
+ Nhöôïc ñieåm : Giaù thaønh töông ñoái cao do ñoù chæ aùp
duïng khi yeâu caàu ñieåm söông thaáp.
d. Phöông phaùp thaåm thaáu :
Nguyeân taéc cuûa phöông phaùp laø döïa vaøo söï thaåm
thaáu cuûa khí qua maøn thaåm thaáu. Döôùi taùc duïng cuûa
maøng thaåm thaáu seõ cho nhöõng phaân töû coù kích thöôùc
nhoû hôn kích thöôùc cuûa maøng qua coøn caùc caáu töû coù kích
thöôùc lôùn hôn seõ ñöôïc giöõ laïi. Nhö vaäy, aùp suaát caøng cao
thì quaù trình thaåm thaáu ngaøy caøng nhanh. Phöông phaùp naøy
chæ aùp duïng khi ñoä tinh khieát cuûa khí khoâng cao.
Qua caùc phöông phaùp ñaõ neâu treân, ta thaáy phöông
phaùp haáp phuï laø cho hieäu suaát khöû nöôùc laø cao nhaát,
ñem laïi hieäu quaû kinh teá cao vaø deã töï ñoäng hoùa.
Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 5 -
Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51
PHẦN II: TÍNH TOÁN THÁP LÀM KHÔ KHÍ BẰNG
DIETYLEN GLYCOL (DEG)
Đề soá 6:
Cấu tử C1 C2 C3 n-C4 i-C4 n-C5 H2S CO2 N2
%V 70 8.2 4.8 4.1 3.5 2.8 1.8 2.5 2.3
Lượng khí cần làm khô: 5.2.106 Nm3/ngày
Nhiệt độ khí nguyên liệu: 65oC
Áp suất khí nguyên liệu: 8.5 MPa
Điểm sương khí khô: +15oC
Áp suất khí khô: 8.2 MPa
Lưu lượng DEG nghèo: 34 kg DEA / 1kg H2O.
Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 6 -
Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51
I. Tính toán các thông số
Sơ đồ tháp hấp thụ làm khô khí
Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 7 -
Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51
1. Bước 1: Cụ thể hóa các dữ liệu ban đầu. Các số liệu xuất phát để tính toán thiết
kế quá trình làm khô bằng Glycol là:
- Thành phần khí nguyên liệu:
Cấu tử C1 C2 C3 n-C4 i-C4 n-C5 H2S CO2 N2
%V 70 8.2 4.8 4.1 3.5 2.8 1.8 2.5 2.3
Lượng khí nguyên liệu: 5.2.106 Nm3/ngày = 216.67.103 Nm3/h = 216.67.106 l/h
- Nhiệt độ khí nguyên liệu: 65oC
- Áp suất khí nguyên liệu: 8.5 MPa
- Điểm sương cần đạt đối với khí ra: +15oC
- Áp suất khí khô: 8.2 MPa
- Chất hấp thụ cần dùng: DEG (HO(-CH2-CH2-0-)2H)
- Lưu lượng DEG nghèo bơm vào: 34 kg DEA / 1kg H2O
2. Bước 2: Xác định nồng độ tối thiểu của dung dịch glycol ( ).
Kinh nghiệm thực tế cho thấy ở các thiết bị công nghiệp, sự làm khô khí đến điểm
sương cân bằng là không thể thực hiện được vì khí chỉ tiếp xúc với glycol có nồng độ
đã tính toán tại mâm trên cùng, còn ở các mâm dưới nồng độ các glycol sẽ giảm đi do
sự hấp thụ nước. Do đó trong các thiết bị công nghiệp điểm sương thực tế của khí cần
làm khô sẽ cao hơn từ 5 – 11 oC so với điểm sương cân bằng. Ta có theo đầu bài cho
điểm sương khí khô +15oC nên ta sẽ chọn điểm sương thấp hơn 8oC điểm sương khí
khô là 7oC .
Theo đầu bài nhiệt độ khí nguyên liệu 65oC, do nhiệt độ làm việc của tháp hấp thụ
xấp xỉ nhiệt độ môi trường nên khí nguyên liệu trước khi vào tháp ta làm lạnh bằng
không khí từ 65oC xuống 40oC nhiệt độ khí nguyên liệu vào tháp (nhiệt độ tiếp xúc)
là 40oC.
Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 8 -
Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51
Dựa vào đồ thị trên hình II.7, trang 98 [1] biểu diễn sự phụ thuộc của khí nguyên
liệu và điểm sương của khí ra với dung dịch DEG ta xác định được của DEG
trong dung dịch:
Điểm sương khí khô: 7oC
Nhiệt độ khí nguyên liệu: 40oC
= 96,8 % 97%
Vậy với khí nguyên liệu có nhiệt độ vào 40oC và điểm sương khí khô 7oC ta phải sử
dụng dung dịch DEG 97%.
3. Bước 3: Xác định hàm lượng ẩm (W) của khí cần làm khô dựa theo đồ thị II.1,
trang 52 [2].
Theo thành phần khí nguyên liệu ta thấy H2S chiếm 1,8% thể tích. Vậy hàm lượng
của H2S được xác định như sau:
- Áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng:
PV = nRT n = mol
mH2S = 165145 x 34 = 5615.103 g
Hàm lượng H2S trong 1 m3 là: g/Nm3 >> 5.7 mg/Nm3
Mà hàm lượng CO2 2,5% > 2%
Vậy khí nguyên liệu đã cho là khí chua nên khi ta xác định hàm lượng ẩm của khí
nguyên liệu ta phải xét cả hàm lượng ẩm do H2S và CO2 đóng góp.
Từ đồ thị II.1:
Tnguyên liệu = 40oC, P = 8.5 MPa WHC = 940.10-6 (kg/m3)
WH S = 2700.10-6 (kg/m3)
WCO = 1400.10-6 (kg/m3)
Áp dụng phương trình hàm lượng ẩm của khí chua:
Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 9 -
Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51
W1 = WHC.YHC + WH S.YH S + WCO .YCO
= 940.10-6.0.957 + 2700.10-6.0,018 + 1400.10-6.0,025 = 983. 10-6 (kg/m3)
Tkhí khô = 15 oC, P = 8.2 MPa W2= 262.10-6 (kg/m3)
Trong đó:
W1 – Hàm lượng ẩm của khí nguyên liệu (kg/m3)
W2 – Hàm lượng ẩm của khí khô (kg/m3)
Tính lưu lượng của dung dịch DEG nghèo theo phương trình:
L1 = V.( W1 - W2 ).l (3)
Trong đó:
V – Lưu lượng thể tích khí nguyên liệu (Nm3/h)
L1 – Lưu lượng của dung dịch DEG nghèo (kg/h)
l – Lưu lượng riêng của DEG
Thay V = 216.67.103 m3/h vào (3):
l = 34 kg DEA / 1kg H2O
W1 = 983. 10-6 (kg/m3)
W2= 262.10-6 (kg/m3)
L1 = 216.67.103.( 983. 10-6 - 262.10-6).34 = 5311.4 (kg/h)
4. Bước 4: Tính nồng độ của dung dịch DEG giàu ( )
Ta có nồng độ của dung dịch DEG giàu được xác định theo phương trình cân bằng
vật chất dựa trên độ ẩm trong pha lỏng và khí:
= (4)
Trong đó: - Nồng độ phần khối lượng của dung dịch DEG vào (% ) ( )
V – Lưu lượng khí nguyên liệu vào Nm3/h)
Ta lấy = 97%
Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 10 -
Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51
Thay = 97% vào (4):
V = 216.67.103 m3/h
W1 = 983. 10-6 (kg/m3)
W2= 262.10-6 (kg/m3)
L1 = 5311.4 (kg/h)
= = 94.2
5. Bước 5: Tính lưu lượng DEG giàu (L2) theo phương trình:
L2 = L1 + ( W1 - W2 ).V
= 5311.4 + (983. 10-6 - 262.10-6).216.67.103
= 5467.6 (kg/h)
6. Bước 6: tính hằng số cân bằng K của quá trình hút ẩm theo phương trình:
K= (6)
Trong đó:
Mo – Khối lượng phân tử của DEG
Đổi đơn vị: W2 = 262.10-6 kg/m3 = 262.10-3 g/m3
Thay Mo = 106 vào (6):
W2 = 262.10-3 g/m3
= 97 %
K = = 0.0022
7. Bước 7: Xác định yếu tố hấp thụ A theo phương trình:
A =
Trong đó:
Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 11 -
Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51
L’ – Lưu lượng dung dịch glycol nghèo vào (kmol/h)
V’ - Lưu lượng khí nguyên liệu (kmol/h)
Đổi đơn vị: L’= 5311.4 (kg/h) = = 50.1 (kmol/h)
V’= 216.67.103 m3/h = = 9180.9 (kmol/h)
A = = 2.48
8. Bước 8: Tính hệ số tách ẩm thực tế (0< <1) theo phương trình:
(thỏa mãn)
Vậy hiệu quả hấp thụ thực tế là 73.3%
9. Bước 9: Tính hệ số tách ẩm lý thuyết (0< <1) theo phương trình:
= (9)
Trong đó:
- Nồng độ phần mol của H2O trong dung dịch DEG nghèo được tính theo
phương trình:
=
- Phần mol của H2O trong khí nguyên liệu được tính theo phương trình:
=
=
Vậy hiệu quả hấp thụ lý thuyết là 99.4%
Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 12 -
Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51
10. Bước 10: Xác định số đĩa lý thuyết dựa vào phương trình Kramser (rút gọn):
= =
n+1 = log : log(A) = log : log(2.48) = 6.069
n = 5.069 (đĩa)
Vậy số đĩa lý thuyết là 5.069 đĩa
11. Bước 11: Tìm số đĩa thực tế (nth) theo phương trình:
Trong đó:
- Hiệu suất làm việc của đĩa thường nằm trong khoảng 0.25 -0.4
Ta chọn: = 0.35
(đĩa)
Vậy số đĩa thực tế là 15 đĩa
12. Bước 12: Tính đường kính tháp hấp thụ D theo phương trình:
D = (12)
Trong đó:
D– Đường kính tháp (m)
Q – Lưu lượng khí nguyên liệu (Nm3/h)
T – Nhiệt độ khí nguyên liệu (oK)
P- Áp suất khí nguyên liệu (MPa)
W - Vận tốc tuyến tính cuả khí trong tháp (m/h)
Thay Q = 216,67.103 vào (12) :
Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 13 -
Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51
T = 40 + 273 = 313 oK
P = 8.5 MPa
W =0.13 m/s = 0.13.3600 = 468 m/h
D = 0.0114 (m) = 470mm
Vậy đường kính tháp hấp thụ là 470mm
13. Bước 13 : Tính chiều cao tháp hấp thụ H theo phương trình :
H = nth x d + h (13)
Trong đó :
d – khoảng cách giữa các đĩa (d = 0.5 – 0.6 m )
h – chiều cao bổ trợ tính cho chóp đỉnh và chóp đáy (h = 1.2 – 1.6 m)
Ta lấy : d = 0.55 m
h = 1.4 m
Thay vào (13) ta được :
H = 15 x 0.55 + 1.4 = 9.65 (m)
Vậy chiều cao tháp hấp thụ 9.65m
Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 14 -
Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51
II. Kết luận
Qua quá trình tính toán ta thấy với khí nguyên liệu có thành phần như trên ta cần thiết
kế tháp làm khô khí bằng Dietylen glycol có các thông số sau :
Các thông số
- Khí nguyên liệu : Lưu lượng (m3/h)
Nhiệt độ (oC)
Ap suất (MPa)
Hàm lượng ẩm W1 (kg/m3)
216.67.103
40
8.5
983.10-6
- Khí khô : Điểm sương (oC)
Áp suất (MPa)
Hàm lượng ẩm W2(kg/m3)
+15
34
262.10-6
- DEG nghèo vào: Lưu lượng riêng (kg DEG/1 kg H2O)
Lưu lượng L1 (kg/h)
Nồng độ tối thiểu (%)
Nồng độ (%)
8.5
5311.4
97
97
- DEG giàu : Nồng độ (%)
Lưu lượng L2 (kg/h)
94.2
5467.6
- Hằng số cân bằng của quá trình hút ẩm K 0.0022
- Yếu tố hấp thụ A 2.48
Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 15 -
Boä moân Loïc hoùa daàu Lôùp Loïc hoùa daàu K51
- Hệ số tách ẩm: Thực tế
Lý thuyết
0.733
0.994
- Tháp hấp thụ: + Số đĩa: Lý thuyết (đĩa)
Thực tế (đĩa)
+ Đường kính (mm)
+ Chiều cao (m)
5.069
15
470
9.65
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Công nghệ chế biến khí thiên nhiên và khí dầu mỏ, trường ĐH
Tp.HCM
2. John M. Campbell, Gas Conditioning and Processing, Volume 1
Baøi taäp lôùn moân Coâng ngheä Cheá bieán Khí - 16 -