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

ợng 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 tháp tách sơ bộ etan. Khác với sơ đồ NNT một bậc, phần ngưng tụ từ bộ phạn phân tách (7) được bơm đến bộ phận trao đổi nhiệt (5), tại đây nó được nâng nhiệt độ lên do dòng khí nhiên liệu vào. Sau đó chất lỏng ngưng tụ lại được đưa vào tháp tách (8), ở đó bơm luôn giữ áp suất cao cho pha hơi lấy ra từ đỉnh tháp tách này để trộn với dòng khí nguyên liệu trước khi vào bộ phận bay hơi propan (6) để ngưng tụ. Còn phần lỏng tách ra ở đáy tháp đi qua thiết bị trao đổi nhiệt (4) và được đưa vào phần giữa của tháp (9). Do quá trình đốt nóng sơ bộ condensat ở trong tháp tách (9), một phần các cấu tử dễ bay hơi ( chủ yếu là C1,C2 và một ít C3) được bay hơi lên đỉnh tháp (9) gồm có hỗn hợp metan, etan, propan 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. Như vậy nguyên liệu đưa vào tháp tách etan (9) đã được tăng tỷ trọng và với lợng ít hơn so với sơ đồ NNT một bậc. Điều đó cho phép tăng nhiệt độ đỉnh tháp (9) và giảm tác nhân làm lạnh cần thiết cho quá trình, cũng như làm giảm nhiệt cần để bay hơi các cấu tử dễ bay hơi ở các tháp tách (7),(8). Mặt khác phải cần tăng tác nhân để làm lạnh khí nguyên liệu trước khi vào tháp (7) do cần phải làm lạnh cả khí làm lạnh lấy ra từ đỉnh tháp tách etan (9), kết quả là về mặt năng lượng tổng cộng vẫn có lợi. Lượng tác nhân lạnh cần thiết để ngưng tụ trước khi vào tháo tách (7) và ngưng tụ trên tháp tách etan (9) cũng như lượng nhiệt cần cung cấp cho đáy tháp etan (9), khi chế biến khí đồng hành có thành phần xác định phụ thuộc vào nhiệt độ cần thiết của condensat trong bộ phận trao đổi nhiệt (5). Vì vậy khi tính toán sơ đồ NNT có tách sơ bộ etan cần phải tìm tối ưu của condensat trong tháp tách (8), phụ thuộc thành phần nguyên liệu vào và các thông số của quá trình. Sơ đồ NNT có chu trình làm lạnh trong. Để chế biến khí có hàm lượng C>3 không quá 70 ữ 75 g/m3, người ta thường áp dụng các sơ đồ NNT với nguồn lạnh duy nhất là tuabin giãn nỡ khí, đảm bảo tách triệt để các cấu tử theo yêu cầu định trước: etan, propan các hydrocacbon nặng. Khi chế biến KTN, các tuabin giản nở khí sử dụng năng lượng khí. Khi chế biến khí đồng hành người ta nén sơ bộ để tạo áp suất cần thiết trước khi đưa vào thiết bị giản nở khí (gọi là các dentendre ). Trong các sơ đồ có chu trình làm lạnh trong, cùng với sự giản nở khí đã tách một phần xăng người ta thường dùng sự tiết lưu dòng chất lỏng. Hình 7 : Sơ đồ NNT có chu trình lạnh sử dụng tuabin giãn nỡ khí 1. Công đoạn sấy khí ( bằng rây phân tử ); 2. bộ phận trao đổi nhiệt; 3. Tuabin nén; 4. Bộ phận tách áp suấ cao; m5. Tuabin giãn nở khí; 6. Bộ phận tách áp suất thấp ( 1,4 … 2,8 Mpa ); 7. Tháp tách metan Sơ đồ nhà máy loại này gồm các công đoạn chính sau: - Công đoạn nén khí ban đầu khi chế biến KĐH ( ở các nhà máy của Mỹ thường không có công đoạn này bởi vì KĐH đã được nén trực tiếp tại nơi khai thác) Công đoạn 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 của các chất lỏng ngưng tụ nếu yêu cầu định trước là nhận etan và hydrocacbon nặng C>3. Nhận khí khô cần thiết để đưa vào đường ống dẫn. 3.Sơ đồ NNT có chu trình làm lạnh tổ hợp. Sơ đồ NNT một bậc để nhận C>3 có chu trình làm lạnh tổ hợp ( chu trình làm lạnh bằng propan và tiết lưu dòng chất lỏng ). Hình 8 : Sơ đồ NNT một bậc tách C3+ có chu trình làm lạnh tổ hợp 1,3. Các thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí; 2. Máy nén; 4,6,7,9. Các bộ phận trao đổi nhiệt; 5,8. Bộ phận bay hơi propan; 10. Tiết lưu; 11. Tháp tách nhiệt độ thấp; 12. Tháp tách etan; 13. Bộ phận đun nóng đáy tháp Trên hình biểu diễn sơ đồ ngưng tụ thấp có tiết lưu chất lỏng ngưng tụ từ thiết bị phân ly (11). Theo sơ đồ này KĐH sau khi nến đến áp suất 2,0 MPa đi qua bộ phận gia nhiệt (13) của tháp tách etan (12), trao đổi nhiệt bằng không khí (3), sau đó qua hàng loạt 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 -100C được đưa vào tháp tách (11) để tách phần ngưng tụ. Khí khô từ đỉnh tháp tách sau khi trao đổi nhiệt với dòng khí nguyên liệu được 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 condensat giảm xuống 1,0 Mpa, nhiệt độ -180C. Dòng condensat 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 tháp tách (12). Tại đây ở áp suất 1MPa xảy ra sự tách etan, các hydrocacbon nặng được lấy ra từ đáy tháp (12) đưa đi chế biến tiếp. Các hydrocacbon nhẹ bay hơi từ đỉnh tháp (12) qua thiết bị trao đổi nhiệt (4), được 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. Đặc điểm của sơ đồ này là khí tuần hoàn từ tháp tách etan bao gồm các hydrocacbon nhẹ ( trong đó chủ yếu là etan ) và dòng khí vào, do đó condensat nhận được giàu etan hơn. Tác nhân lạnh nhận được do quá trình tiết lưu condensat được tăng lên và đảm bảo dòng sau tiết lưu có nhiệt độ thấp hơn. So với sơ đồ tương tự không có tiết lưu condensat thì sơ đồ này có lợi hơn về mặt kinh tế. Ví dụ: Sản xuất 1Kmol phân đoạn hydrocacbon nặng C>3 theo sơ đồ này yêu cầu 5,63m3 nhiên liệu, còn sơ đồ không có tiết lưu condensat cần tới 6,23m3. Như vậy , trong sơ đồ này, tính toán với yêu cầu tách propan không triệt để, chu trình làm lạnh cho nhiệt độ không thấp hơn so với chu trình làm lạnh bằng propan, mà cho các chỉ tiêu kinh tế khác tốt hơn. Sơ đồ này có thể áp dụng để tách triệt để propan, còn khi hiện đại hoá nó thí có thể áp dụng nó để tách etan. Qua tìm tòi và nghiên cứu các quá trình chế biến khí bằng công nghệ NNT thì ta thấy có rất nhiều công nghệ chế biến khí và cũng đã áp dụng một cách rộng rải và hiệu quả, nhưng với điều kiên và khả năng áp dụng có hiệu quả các công nghệ này ở nước ta thì em đã chon đề công nghệ : “Thiết kế công nghệ ngưng tụ nhiệt độ thấp có tách sơ bộ etan”. Vì đây là một quá trình chế biến khí với công nghệ không quá phức tạp và quá trình này được coi là phương pháp có hiệu quả kinh tế hiệu quả hơn cả để chế biến KTN và KĐH. Phần II: tính toán Năng suất công nghệ : 4,5.106 m3/ ngày Nhiệt độ ban đầu : T = 250C = 2980K áp suất công nghệ : P = 4MPa I. tính cân bằng vật chất. Thành phần các cấu tử là khí mỏ Bạch Hổ Bảng 1: Thành phần các cấu tử và đại lượng liên quan Cấu tử Ci PCi PCi.Ci TCi TCi.Ci MCi MCi.Ci CH4 0,7682 4,61 3,541 191 146,726 16,04 12,322 C2H6 0,1187 4,88 0,58 305 0,415 30,07 3,569 C3H8 0,0598 4,25 0,254 370 22,126 44,09 2,636 C4H10 0,0533 3,8 0,202 425 22,652 58,124 3,098 Tổng 4,577 191,919 21,626 Ta có các đại lượng giả rút gon Từ giản đồ hệ số chịu nén Katz ta có : z = 0,91 Từ phương trình trạng thái P = zRT và ta có công thức tính tỷ trọng thực của khí ở T và P là: Trong đó : là khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp khí = P: áp suất của hệ (MPa) R: hằng số khí, R = 0,00831 T; nhiệt độ của hệ, (K) Thay số vào công thức trên ta có: (Kg/m3) 1.Tính cân bằng vật chất tại tháp (7) và (8) với chu trình lần 1. a. Tháp (7). Khi qúa trình bắt đầu làm việc thì ta coi như chưa có lượng tuần hoàn từ đỉnh tháp (8), nên lưu lượng vào tháp (7) chính là nguyên liệu đi vào công nghệ. Gvào = (mol) Khí sau khi qua thiết bị làm lạnh propan được làm lạnh tới nhiệt độ T= -300C Các thông số công nghệ của tháp (7): T = -300C , P = 4Mpa Từ đó ta có hằng số pha cho từng cấu tử: K1 = 3 ; k2 =0,42 ; k3 = 0,11 ; k4 = 0,026 Ta có phương trình cân bằng vật chất của tháp: F = V + L (1) Giả sử F = 1→ V + L = 1 hoặc L = 1 – V Và phương trình cân bằng vật chất cho từng cấu tử: G.Ci = V.yi + L.xi (2) Trong đó: F: Số mol nguyên liệu vào V: Số mol pha khí nhận được từ G mol nguyên liệu L: Số mol pha lỏng nhận được từ G mol nguyên liệu Ci: Phần mol cấu tử i trong dòng nguyên liệu xi:: Phần mol cấu tử i trong dòng lỏng L yi: Phần mol của cấu tử i trong dòng khí V F = 1 phương trình (2) trở thành: Ci = V.yi + L.xi Mặt khác từ hằng số cân bằng pha ta có: yi = Ki.xi Tổng phần mol của các cấu tử = 1 (3) (4) Hay: (5) Bằng phép tính lặp, ta chon V sao cho biểu thức (5) thoả mãn Ta chon V = 0.82 . Kết quả V là chấp nhận được Vậy ta chon V = 0,82→ L = 0,18 Thay V và L vào biểu thức (3) và (4) ta có: Bảng 1: Bảng cân bằng vật chất của tháp 7 chu trình lần 1 Cấu tử Ci ki Gi7 xi7 yi7 Xi7 Yi7 CH4 0,7682 3 6430,2449 0,2909 0,8800 0,0523 0,7216 C2H6 0,1187 0,42 993,5825 0,2263 0,0957 0,0407 0,0784 C3H8 0,0598 0,11 500,5579 0,2210 0,0243 0,0397 0,0199 C4H10 0,0533 0,026 464,1495 0,2647 0,0007 0,0476 0,0005 Tổng 8370,535 1,0007 0,18 0,82 Trong 8370,535 mol nguyên liệu vào thì có 6863,8387 mol pha khí và 1806,6963 mol pha lỏng Vậy V17 =6863,8387 ; L17 = 1506,6963 b. Tháp 8. Lưu lượng đi vào tháp 8 chính bằng lượng lỏng tách ra ở tháp 7. G18 = L17 = 1506,6963 (mol) Khi lượng chất lỏng tách ra ở đáy tháp 7 qua thiết bị trao đổi nhiệt 5, tại đây nó được tăng nhiệt độ lên do dòng khí nguyên liệu vào. Ta chon T = -200C, P = 4Mpa. Tại nhiệt độ và áp suất đó, ta có hắng số cân bằng pha cho từng cấu tử của tháp 8. k1 = 3,2 ; k2 = 0,51 ; k3 = 0,14 ; k4 = 0,036 Ta chon V = 0,855 thay vào công thức (5) ta có: . Vậy V = 0,855 là nhận được Thay V = 0,855 và L = 0,145 vào (3) và (4) ta có: Ta có Gi8 = G8.Ci8 Bảng 2: Bảng cân bằng vật chất của tháp 8 chu trình lần 1. Cấu tử Ci ki Gi7 xi7 yi7 Xi7 Yi7 CH4 0,7682 3,2 1157,444 0,2666 0,8533 0,0386 0,7295 C2H6 0,1187 0,51 178,8448 0,2043 0,1042 0,0296 0,0890 C3H8 0,0598 0,14 90,1004 0,2259 0,0316 0,0327 0,0270 C4H10 0,0533 0,036 80,3069 0,3033 0,0110 0,0439 0,0940 Tổng 1506,6963 1,0001 0,145 0,855 Trong 1506,6963 mol nguyên liệu thì có 218,4709 mol pha lỏng và 1288,2253 mol pha khí. Vậy V18 = 1288,2253 mol và L18 = 218,4709 mol. 2. Tính cân bằng vật chất của tháp 7 và tháp 8 với chu trình lần 2. (khi có lượng khí tuần hoàn từ đỉnh tháp 8 về tháp 7) Sau một thời gian hoạt động thì từ đỉnh của tháp 8 bắt đầu có lượng khí hồi lưu trở lại để đi vào tháp 7. a. Tháp 7. Ta có : G2vào7 = G17 + V18 = 8370,535 + 1288,2253 = 9658,7603 (mol) C2i7 =y1i8 Tại T = -300C, P = 4Mpa, ta có hằng số cân bằng pha của các cấu tử đi vào tháp 7 chu trình lần 2 k1 = 3 ; k2 =0,42 ; k3 = 0,11 ; k4 = 0,026 Ta chọn V = 0,977 thay vào công thức 5 ta có: Vậy V = 0,977 là nhận được Ta thay V = 0,977 và L = 0,023 vào công thức (3) và (4) ta có: Ta có bảng cân bằng vật chất tháp 7 lần 2 Bảng 4: Bảng cân bằng vật chất của tháp 7 chu trình lần 2. Cấu tử Ci ki Gi7 xi7 yi7 Xi7 Yi7 CH4 0,8533 3 8241,8201 0,2888 0,8760 0,0060 0,8338 C2H6 0,1042 0,42 1006,4428 0,2410 0,1009 0,0059 0,0085 C3H8 0,0316 0,11 305,2168 0,2431 0,0266 0,0060 0,0259 C4H10 0,0110 0,026 106,2463 0,2272 0,0006 0,0051 0,0005 Tổng 9658,7603 1,0041 0,023 0,977 Trong 9658,7603 mol nguyên liệu vào thì có 222,1515 mol pha lỏng và 9436,6088 mol pha khí . L27 = 222,1515 mol ; V27 = 9436,6088 mol b. Tháp 8. Lưu lượng đi vào tháp 8 chính bằng lượng lỏng tách ra ở tháp 7. G28 = 222,1515 (mol) C2i8 = x