Công nghệ sấy khô khí trong việc chế biến dầu khí thiên nhiên và khí dầu mỏ

mục lục
Lời mở đầu ............................................................................................3
I. Quá trình công nghệ sấy khô khí.......................................................4
I.1. Mục đích của việc sấy khô khí........................................................4
I.2. Phơng pháp sấy khô khí..................................................................4
I.2.1. Sơ đồ nguyên lí sấy khô khí bằng phơng pháp hấp thụ..............5
I.2.2. Các yếu tố ảnh hởng đến mức độ hấp thụ hơi nớc ...................5
.................................................................................................................
I.2.3. Các thông số của quá trình..........................................................6
II. Phân tích quá trình công nghệ với t cách là đối tợng của
quá trình điều chỉnh tự động .................................................................7
II.1. Sơ đồ thông số của quá trình công nghệ.......................................7
II.2. Mô hình toán học của sự điều chỉnh hàm ẩm của khí khô............8
II.3. Mô hình toán học của sự điều chỉnh mức chất lỏng trong
tháp hấp thụ.........................................................................................11
III. Đo và điều chỉnh tự động qúa trình công nghệ sấy khô khí..........14
III.1. Điều chỉnh hàm ẩm của khí khô..................................................15
III.2. Điều chỉnh mức chất lỏng trong tháp hấp thụ.............................15
III.3. Điều chỉnh nhiệt độ làm việc của tháp hấp thụ..........................16
III.4. Điều chỉnh áp suất làm việc của tháp hấp thụ...........................16
III.5. Điều chỉnh nhiệt độ nạp liệu.......................................................16
III.6. Điều chỉnh bằng máy tính...........................................................17
IV. Thiết lập hệ tự động điều chỉnh quá trình công nghệ....................18
1
V. Các thiết bị đo lờng.........................................................................20
V.1. Dụng cụ đo nhiệt độ.....................................................................20
V.2. Dụng cụ đo mức...........................................................................20
V.3. Dụng cụ đo lu lợng.......................................................................21
V.4. Dụng cụ đo hàm ẩm....................................................................21
V.5. Dụng cụ đo áp suất.....................................................................21
Kết luận................................................................................................23

Tài liệu tham khảo...............................................................................24
2
Lời mở đầu

Đất nớc ta đang trên con đờng con đờng công nghiệp hóa, hiện đại
hóa. Ngày nay, tất cả các nhà máy và xí nghiệp thuộc các nghành
kinh tế quốc dân, trong đó có nghành dầu khí, đều đã và đang đợc
trang bị các hệ thống tự động ở mức cao. Những hiệu quả mà tự động
hóa mang lại cho sự phát triển của kinh tế đất nớc là không thể phủ
nhận. Đó là: nâng cao chất lợng sản phẩm, nâng cao năng suất lao
động, giảm chi phí sản xuất, cải thiện điều kiện làm việc cho công
nhân viên nhất là ở những công đoạn có tính độc hại cao ...
Các hệ thống tự động hoá giúp chúng ta theo dõi, giám sát các qui
trình công nghệ thông qua các chỉ số của hệ thống đo lờng kiểm tra.
Các hệ thống tự động hóa thực hiện chức năng điều chỉnh các thông
số công nghệ nói riêng và điều khiển toàn bộ qui trình công nghệ nói
chung. Hệ thống tự động hóa bảo đảm cho qui trình công nghệ xảy ra
trong điều kiện cần thiết và bảo đảm nhịp độ sản xuất mong muốn
của từng công đoạn trong qui trình công nghệ. Chất lợng của sản
phẩm và năng suất lao động của các phân xởng, của từng nhà máy,
xí nghiệp phụ thuộc rất lớn vào chất lợng làm việc của các hệ thống
tự động hóa này.
ở nớc ta, dầu khí đã đợc phát hiện từ những năm đầu thập kỉ 70.
Tuy nhiên, phải đến năm 1986, tấn dầu đầu tiên mới đợc khai thác tại
mỏ dầu Bạch Hổ. Kể từ đó đến nay, sản lợng dầu khí chúng ta khai
thác đợc ngày một nhiều thêm. Riêng năm 1997, chúng ta đã khai
thác đợc 10,1 triệu tấn dầu. Sự đóng góp của nghành dầu khí đối với
sự phát triển kinh tế đất nớc trong thời gian vừa qua là rất có ý nghĩa,
nhng điều này sẽ trở lên kém hiệu quả nếu thiếu đi các hệ thống tự
động hóa. Vai trò của các hệ thống tự động hóa là đặc biệt quan

trọng trong lĩnh vực chế biến dầu khí.
Tiểu luận này thực hiện việc tự động hóa quá trình sấy khô khí.
Đây là một công đoạn đầu tiên, không thể thiếu trong việc chế biến
khí thiên nhiên và khí dầu mỏ.
3
Em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Minh Hệ, ngời thầy đã tận
tình truyền đạt cho chúng em những kiến thức cơ sở cần thiết của
môn học tự động hóa các quá trình công nghệ hóa học-thực phẩm.
I. Quá trình công nghệ sấy khô khí:
I.1. Mục đích của sấy khô khí:
Khí đồng hành và khí thiên nhiên khai thác từ lòng đất thờng bão
hoà hơi nớc và hàm lợng hơi nớc phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và
thành phần hoá học của khí. Mỗi một giá trị nhiệt độ, áp suất sẽ tơng
ứng với một hàm lợng hơi nớc cực đại có thể có nhất định. Hàm lợng
ẩm tơng ứng với hơi nớc bão hoà tối đa đợc gọi là hàm lợng ẩm cân
bằng.
Hàm lợng hơi nớc trong khí đồng hành và khí thiên nhiên cần phải
biết vì hơi nớc có thể bị ngng tụ trong các hệ thống công nghệ xử lí
khí sau này, kết quả sẽ tạo các điều kiện hình thành các hiđrat (các
tinh thể rắn) dễ đóng cục chiếm các khoảng không trong các ống dẫn
hay các thiết bị, phá vỡ điều kiện làm việc bình thờng đối với các dây
chuyền khai thác, vận chuyển và chế biến khí. Ngoài ra, sự có mặt
của hơi nớc và các hợp chất chứa lu huỳnh (H
2
S và các chất khác) sẽ
là tiền đề thúc đẩy sự ăn mòn kim loại, làm giảm tuổi thọ và thời gian
sử dụng của các thiết bị, công trình.
I.2. Phơng pháp sấy khô khí:
Khí đợc sấy khô với mục đích tách hơi nớc và tạo ra cho khí có
nhiệt độ điểm sơng theo nớc thấp hơn so với nhiệt độ cực tiểu mà tại

đó khí đợc vận chuyển hay chế biến. Trong công nghiệp, một trong
những phơng pháp sấy khô khí hay đợc dùng là hấp thụ bằng các
chất lỏng hút ẩm. Phơng pháp này đợc sử dụng rộng rãi để sấy khô
khí tại các công trình ống dẫn khí cũng nh tại trong các nhà máy chế
biến khí. Chất hấp thụ-sấy khô là những dung dịch nớc đậm đặc của
mono-, di- và trietylglycol.
Sự sấy khô khí bằng các chất hấp thụ này dựa trên sự khác biệt về
áp suất riêng phần của hơi nớc trong khí và trong chất hấp thụ. Giá trị
điểm sơng của khí, về nguyên tắc đợc đảm bảo bằng dung dịch của
các glycol.
Lợng ẩm có thể đợc tách ra từ khí bằng các chất hấp thụ-sấy khô
đợc xác định bằng khả năng hút ẩm của các chất hấp thụ, nhiệt độ và
áp suất, sự tiếp xúc giữa khí với chất hấp thụ, khối lợng chất hấp thụ
tuần hoàn trong hệ và độ nhớt của nó.
4
I.2.1. Sơ đồ nguyên lí công nghệ sấy khô khí bằng phơng pháp hấp
thụ:
II III IV

VI 3
5
1 2

I 7
V 4
6
8
Hình 1: Sơ đồ nguyên lí công nghệ sấy khô khí bằng hấp thụ
1- Thiết bị hấp thụ; 2,4- Thiết bị trao đổi nhiệt; 3- Thiết bị thổi khí; 5-
Thiết bị giải hấp thụ; 6- Thiết bị tái sinh hơi; 8- Bồn chứa DEG; I- Khí

ẩm; II- Khí đã sấy khô; III- Khí thổi ra; IV- Hơi nớc đi vào khí quyển; V-
DEG bổ sung; VI- DEG tái sinh.
Trong sơ đồ trên, khí ẩm (I) đợc đa vào phần dới của thiết bị hấp
thụ 1, còn glycol đậm đặc thì đợc đa vào đĩa trên cùng của thiết bị
này. Khí sấy khô (II) sẽ đi ra từ phía trên của thiết bị, còn glycol đã
hấp thụ nớc thì đi ra ở phía dới. Khí đã sấy khô, sau đó, đợc đa đi sử
dụng, còn glycol tiếp tục đợc đun nóng trong thiết bị trao đổi nhiệt 2
và đi vào hệ thống thổi khí 3, tại đây sẽ tách phần hyđrocacbon đã bị
hấp thụ. Tiếp theo glycol đợc đun nóng trong thiết bị trao đổi nhiệt 4
và thiết bị giải hấp 5. Từ phía trên của thiết bị 5, sẽ lấy ra hơi nớc (IV),
phần còn lại ở phía dới chính là glycol tái sinh đợc làm nguội trong
thiết bị trao đổi nhiệt 4, 2 và sinh hàn 7, đi vào bồn chứa 8, từ đây sẽ
đi vào thiết bị hấp thụ 1 (bồn chứa 8 sẽ đợc bổ sung một lợng glycol
mới khi cần thiết).

I.2.2. Các yếu tố ảnh hởng đến mức độ hấp thụ hơi nớc:
5
Để đặc trng cho lợng hơi nớc đợc hấp thụ trên lợng hơi nớc có trong
khí ẩm, ngời ta đa ra đại lợng hệ số tách hay còn gọi là hiệu quả hấp
thụ. Ngời ta nhận thấy rằng khi tăng nhiệt độ và giảm áp suất của quá
trình hấp thụ sẽ làm giảm hiệu quả hấp thụ. Còn khi tăng lu lợng riêng
của dung môi sẽ làm tăng hiệu quả hấp thụ.
ảnh hởng lớn nhất đến hiệu quả hấp thụ là số đĩa lí thuyết của tháp
hấp thụ: Khi tăng số đĩa lí thuyết lên 6-8 đĩa (tơng ứng với khoảng 30
đĩa thực) thì lu lợng riêng của dung môi sẽ giảm khi các điều kiện
khác không đổi, điều này dẫn đến việc giảm chi phí vận hành. Nhng
nếu số đĩa lí thuyết tăng lên nữa thì ảnh hởng của nó đến hiệu quả
quá trình là không rõ rệt.
Hiệu quả hấp thụ còn phụ thuộc vào tỉ trọng và khối lợng phân tử
của dung môi; nếu tỉ trọng và khối lợng riêng của dung môi thay đổi,

nhng tỉ số giữa chúng là không đổi thì hệ số hấp thụ cũng không đổi.
Sử dụng dung môi có khối lợng phân tử nhỏ sẽ làm tăng khả năng
hấp thụ hơi nớc, đồng thời làm tăng hiệu quả của quá trình.

I.2.3. Các thông số của quá trình:
ở các thiết bị công nghiệp, sự sấy khô khí đến điểm sơng cân bằng
là không thực hiện đợc vì khí chỉ tiếp xúc với chất hấp thụ (glycol) có
nồng độ đã tính toán tại đĩa trên cùng, còn ở các mâm dới nồng độ
các glycol sẽ giảm đi do sự hấp thụ nớc. Do đó, trong các thiết bị
công nghiệp, điểm sơng thực tế của khí sấy sẽ cao hơn từ 5 đến 11
0
C
so với điểm sơng cân bằng. Thông thờng sự sấy khí bằng các glycol
đợc thực hiện đến điểm sơng không thấp hơn 25
0
C đến 30
0
C.
Muốn sấy triệt để hơn thì cần phải dùng dung dịch glycol có nồng độ
đậm đặc hơn. Khi đó, sẽ phát sinh thêm khó khăn do có sự gia tăng
sự tiêu hao glycol cùng với khí khô.
Nhiệt độ giới hạn trên của quá trình sấy hấp thụ đợc xác định bằng
sự tiêu hao cho phép do bay hơi và trong thực tế, nhiệt độ này vào
khoảng 38
0
C. Còn nhiệt độ giới hạn dới phụ thuộc vào sự giảm khả
năng hút ẩm của chất hấp thụ gây ra bởi sự tăng độ nhớt của glycol.
Nhiệt độ cực tiểu tiếp xúc với glycol vào khoảng 10
0
C.

Khi hàm lợng nớc trong chất hấp thụ tăng thì ảnh hởng của sự tiêu
hao chất hấp thụ đến độ hạ điểm sơng sẽ giảm. ảnh hởng của sự tiêu
hao chất hấp thụ đến mức độ sấy khí giảm khi đạt đến giá trị nhất
định nào đó. Nồng độ glycol là yếu tố ảnh hởng mạnh nhất đến điểm
sơng của khí. Khi tăng nồng độ của glycol thì độ hạ điểm sơng sẽ
mạnh hơn so với tăng tiêu hao tác nhân sấy.
6
Nồng độ glycol trong chất hấp thụ đợc xác định bằng nhiệt độ tái
sinh nó. ở nhiệt độ 164,4
0
C, DEG bị phân huỷ một phần, còn ở
206,7
0
C, TEG cũng sẽ phân huỷ. Nếu tái sinh glycol ở áp suất khí
quyển thì thực tế sẽ không thu đợc dung dịch có nồng độ lớn hơn 97-
98% khối lợng, vì nhiệt độ ở phía dới thiết bị giải hấp lớn hơn các nhiệt
độ nêu trên nên chúng sẽ bị phân hủy. Do vậy, glycol thờng đợc tái
sinh trong chân không.
* Tại tháp hấp thụ 1:
- Nhiệt độ tiến hành: 20
0
C.
- áp suất tiến hành: 2- 6 MPa.
- Lu lợng riêng chất hấp thụ: 30- 35 lít TEG/1 kg nớc.
- Nồng độ chất hấp thụ tái sinh: 99,0-99,5% kl (TEG).
- Điểm sơng của khí: -18
0
C đến -25
0
C.

* Tại tháp giải hấp 5:
- Nhiệt độ đáy tháp giải hấp: 190- 204
0
C.
- áp suất tiến hành: 10- 13 kPa.

II. Phân tích quá trình công nghệ với t cách là đối t ợng của quá
trình điều chỉnh tự động (tháp hấp thụ):
II.1. Sơ đồ thông số của của quá trình hấp thụ khí ẩm:

1
w



V

2
w

L


G

H


W

Hình 2: Sơ đồ thông số của quá trình hấp thụ khí ẩm
ở sơ đồ trên:
- Các tác động điều chỉnh :
.,,, GWLV
- Các tác động nhiễu :
.
1
w
7
- Các thông số đặc trng của quá trình:
.,
2
Hw
Trong đó:
V
: Thể tích khí ẩm đi vào tháp hấp thụ(m
3
/h).
L
: Lu lợng chất hấp thụ (glycol) tái sinh (m
3
/h).
G
: Thể tích khí khô đi ra ở đỉnh tháp hấp thụ (m
3
/h).
W
: Dung dịch glycol đã bão hoà hơi nớc (m

3
/h).
1
w
: Hàm ẩm của khí cần sấy khô (kg/m
3
).
2
w
: Hàm ẩm của khí khô (kg/m
3
).
H
: Mức chất lỏng trong tháp hấp thụ (m).
II.2. Mô hình toán học của quá trình điều chỉnh hàm ẩm của khí khô:
Tháp hấp thụ đợc sử dụng để sấy khô khí là tháp đệm. Nh chúng ta
đã biết, bản chất vật lí của quá trình hấp thụ là do sự hình thành cân
bằng pha giữa hai pha khí-lỏng do sự khuếch tán của các chất từ pha
nọ sang pha kia. Động lực của quá trình khuếch tán là sự chênh lệch
áp suất riêng phần giữa các cấu tử trong pha lỏng và pha khí. Nếu áp
suất riêng phần của các cấu tử trong pha khí lớn hơn trong pha lỏng
thì sẽ xảy ra quá trình hấp thụ (chất lỏng hấp thụ khí). Trong thực tế,
động lực quá trình khuếch tán trong tính toán đợc tính qua nồng độ
các cấu tử (vì áp suất riêng phần tỉ lệ thuận với nồng độ).
Trong khi đó, năng suất làm việc của tháp đệm đợc xác định bằng
tốc độ khí đi qua tiết diện tự do của tháp; tốc độ khí phụ thuộc vào
khả năng cho phép lớn nhất của khí qua tháp. Năng suất sẽ lớn nhất
khi lợng khí cho phép đi qua tháp lớn nhất hay đạt trị số tới hạn.
Trong tháp đệm, chất lỏng hấp thụ đi vào tháp ở phía trên, còn khí
ẩm men theo bề mặt của đệm đi lên. Trạng thái này xảy ra khi vận

tốc khí rất bé. Với sự tăng vận tốc khí, do lực ma sát phần của phim
giữa hai pha bị giảm đi và một lớp bọt xuất hiện. Nếu tăng vận tốc
tiếp, chất lỏng sẽ bị kéo lên. Trạng thái này đợc gọi là điểm sặc và nó
biểu diễn giới hạn phụ tải trên. Tuỳ thuộc vào tỷ số của vận tốc pha
khí
)(v
với vận tốc điểm sặc
)(
s
v
, có thể chia ra các phạm vi sau:
-
45,0/ <
s
vv
: phạm vi màng. Bề mặt tiếp xúc pha trong phạm vi này
có thể coi bằng bề mặt của đệm đem dùng.
-
45,0/ =
s
vv
: điểm phanh. ở trên bề mặt phim, có xoáy tạo thành do
ma sát và đó là nguyên nhân dẫn tới kéo một phần chất lỏng.
-
:5,045,0/ ữ=
s
vv
pham vi quá độ.
-
:85,0/ =

s
vv
điểm tan. Chất lỏng tạo thành một lớp bọt xốp. Bề mặt
tiếp xúc pha không phụ thuộc vào bề mặt lớp đệm.
8
-
:185,0/ ữ=
s
vv
phạm vi nhũ tơng.
Các tháp đệm trong thực tế thờng làm việc ở miền nhũ tơng vì ở
đây diện tích tiếp xúc pha là lớn nhất và có lợi hơn cả về mặt năng
suất. Đây là chế độ thuỷ động tốt nhất.
Việc xây dựng mô hình toán học của quá trình điều chỉnh tự động
dựa trên cơ sở thừa nhận lớp đệm là một hệ đồng thể trong đó ngời ta
quan sát một phân tố đủ lớn với sự không đồng nhất của lớp đệm,
mặt khác phân tố nghiên cứu cũng đủ bé so với quy mô biến đổi nồng
độ và nhiệt độ.

2
, wG


,L


1
, wV

W

xW ,
Hình 3: Sơ đồ dòng ra và dòng vào tháp hấp thụ
Các giả thiết:
- Quá trình xảy ra trong điều kiện đẳng nhiệt.
- Thể tích của hơi nớc bị tách ra khỏi khí ẩm là không đáng kể.
- Chất hấp thụ (glycol) chỉ hấp thụ hơi nớc.
- Hệ số khuếch tán không thay đổi trong toàn bộ không gian tháp.
- Vận tốc dòng không đổi đối với tất cả các tiết diện vuông góc với
trục.
Khi đó, áp dụng phơng trình bảo toàn vật chất cho đối tợng trong
thời gian

d
, ta có:
9