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

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 sauLcoi 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: Phân Loại Bậc tách Kiểu nguồn lạnh Cách đưa SP ra Bậc 1 Bậc 2 Bậc 3 Chu trình LL ngoài Chu trình LL trong Chu trình LL Tổ hợp Một tác nhân làm Lạnh Tác nhân Làm lạnh tổ hợp Nhiều tác nhân làm lạnh Nhóm I: có sự kết hợp với TL lỏng Nhóm II: có Sự kết hợp với giãn nỏ khí 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 ³ 2,tách etan của condensate nếu nhận etan và các hydrocacbon nặng C ³ 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 nhậncó 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 12