Công nghệ chế biến khí Chương 1 các khái niệm cơ bản

1


Trường Đại học Công nghiệp

2
Mô t vn tt ni dung học
phần
Học phần này bao gồm:

Khái niệm cơ bản về khí thiên nhiên.

Vận chuyển lưu trữ.

Quá trình công nghệ chế biến và thiết
bị cho công nghiệp khí thiên nhiên.
 
 
3
!"#$%&'(
%)*""&'(+,#-./0
- Nắm được kiến thức tổng quan về khí thiên nhiên, công nghệ chế biến
khí, vận chuyển – lưu trữ khí.
- Có thể làm việc trong ngành công nghiệp chế biến khí thiên nhiên và khí
dầu mỏ
- Một số công ty chuyên về khí: PetroVietnam Gas, các công ty khai thác,
thăm dò, khoan, an toàn, dịch vụ : PVEP, PVdrilling, PTSC. Các
nhà thầu Truongson JOC (JOINT OPERATING COMPANY ),
Cuulong JOC, Lamson JOC, Petronas, KNOC (Korea National Oil
Corporation )
Đạm Phú MỹKhí Dinh Cố Cuulong JOC

 
 
4
1230445
33 "6"*'(,*'78)
392:;"<=4"$%=4">?%"4,*

3@<=%,A ">#"B,*C"%5
DEFG
 
 
5
1290>"4'%6'12'4'H4:I7
J'%,*" "":K$%4L>)%)
93.:;'%,*ML!
2.1.1. Giản đồ P – T cho đơn chất
2.1.2. Giản đồ P – T cho đa phân tử
2.1.3. Ứng dụng giản đồ pha
994'12">?">"42.$% L>)%)
9@7J'%$%4L>)%)
2.3.1. Các phương trình cơ bản xác định độ bay hơi và hệ số hoạt động của các hydrocacbon
2.3.2. Xác định hệ số cân bằng pha của các hydrocacbon bằng phương pháp phân tích
2.3.3. Xác định hệ số cân bằng pha của các hydrocacbon bằng phương pháp đồ thị
9N "":K$%4:2",*O'"
2.4.1. Nhiệt độ sôi và áp suất hơi bão hòa
2.4.2. Nhiệt độ, áp suất và thể tích tới hạn
2.4.3. Thừa số không tâm
2.4.4. Hệ số nén, tỉ trọng, thể tích mol
2.4.5. Entanpy
2.4.6. Nhiệt dung

2.4.7. Entropy
2.4.8. Độ dẫn nhiệt
DEFG
 
 
6
12@0PLQ ,*RM%
@34452.
3.1.1. Các phương trình cơ bản
3.1.2. Vận tốc khí cực đại
3.1.3. Áp suất tĩnh đầu cột
@9ST "U:M
3.2.1. Áp suất tĩnh ở đáy cột
3.2.2. Các phương trình cơ bản
3.2.3. Hệ thống dẫn khí phức tạp
@@>"4<:I
3.3.1. Áp suất trong ống dẫn khí khi
đóng van
3.3.2. Kiểm tra áp suất
3.3.3. Thay đổi nhiệt độ trong ống
dẫn khí
@NP)VO' W8X
3.4.1. Khái niệm chung
3.4.2. Ống nằm ngang
3.4.3. Ống thắng đứng
@YZ7L[:1\]LQ
3.5.1. Đường ống và vật liệu
3.5.2. Các công việc thực hiện trong
quá trình lắp đặt
3.5.3. Trạm máy nén và máy bơm

@^C_R,*81">`
3.6.1. Mô hình sơ đồ vận chuyển khí
3.6.2. Cân bằng kinh tế đối với ống
dẫn khí
3.6.3. Lưu trữ khí
DEFG
 
 
7
12N04=4">?
2.">)
N3a*5
4.1.1. Khái niệm
4.1.2. Các phương pháp làm khô khí
N9a*5+
9
6b
9
,*4O'"81c
4.2.1. Khái niệm chung
4.2.2. Làm sạch khí bằng dung môi
4.2.3. Lựa chọn dung môi làm sạch khí khỏi H
2
S, CO
2

4.2.4. Sơ đồ công nghệ của quá trình xử lý bằng phương pháp ngưng tụ ở nhiệt
độ thấp
N@ J'12'4'''!
NN J'12'4'1"":K"'

NYdL!4=4">? 4%
DEFG
 
 
8
12Y0)Le+%"e
Y3D1\1"! "##,* :;*
Y92:;";,*)Le+%"e
Y@)Le+%"e
12^0 ")45K"+]=4
">?2.
^3"4=4">?2.
^9?")4&,*" ")4+2:;

12f0"I
f3"I:),*:AR
f9"I)*54
DEFG
 
 
9
*8#
g

- Sách, giáo trình chính
[1]. Công nghệ chế biến khí, Khoa công nghệ hóa học, trường ĐHCN TPHCM.
[2]. Công nghệ chế biến khí thiên nhiên và khí dầu mỏ, trường BK TPHCM
- Sách tham khảo
[1]. John M. Campbell, Gas Conditioning and Processing Volume 1. The Basic Principle.
[2]. John M. Campbell, Gas Conditioning and Processing Volume 2. The equipment modules.

[3]. John M. Campbell, Gas Conditioning and Processing Volume 3. Advanced techniques and
application.
[4]. John M. Campbell, Gas Conditioning and Processing Volume 4. Gas and Liquid
Sweetening.
[5]. Donald L. Katz, Robert L. Lee, Natural Gas Engineering Production and Storage.
 
 
10
FG30hhGi
33445,A "##
333;]
3333;],2
Theo giả thuyết này trong lòng Trái đất có chứa các cacbua kim loại như Al
4
C
3
, CaC
2
. Các
chất này bị phân hủy bởi nước để tạo ra CH
4
và C
2
H
2
:
Al
4
C
3

+ 12H
2
O → 4Al(OH)
3
+ 3CH
4
CaC
2
+ 2H
2
O → Ca(OH)
2
+ C
2
H
2
Các chất khởi đầu đó (CH
4
, C
2
H
2
) qua quá trình biến đổi dưới tác dụng của nhiệt độ, áp
suất cao trong lòng đất và xúc tác là các khoáng sét, tạo thành các hydrocacbon có trong dầu
khí.
1O:R50
•
Đã phân tích được (bằng các phương pháp hiện đại) trong dầu mỏ có chứa các
Porphyrin có nguồn gốc từ động thực vật.
•

Trong vỏ quả đất, hàm lượng cacbua kim loại là không đáng kể.
•
Các hydrocacbon thường gặp trong các lớp trầm tích, tại đó nhiệt độ ít khi vượt quá 150
– 200
o
C (do áp suất rất cao), không đủ nhiệt độ cần thiết cho phản ứng hóa học xảy ra.
 
 
11
3339;]`2
Các protein, chất béo, rượu cao phân tử, sáp, dầu, nhựa qua hàng triệu
năm biến đổi sẽ tạo thành các hydrôcacbon ban đầu:
RCOOR’ + H
2
O ↔ RCOOH + R’OH
RCOOH → RH + CO
2
RCH
2
OH → R’-CH=CH
2
+ H
2
O
R’-CH=CH
2
+ H
2
→ R’-CH
2

-CH
3
Thuyết nguồn gốc hữu cơ của dầu mỏ cho phép giải thích được
nhiều hiện tượng trong thực tế:
dầu mỏ ở các nơi hầu như đều khác nhau, sự khác nhau đó có thể là do
vật liệu hữu cơ ban đầu. Ví dụ, nếu vật liệu hữu cơ ban đầu giàu chất béo thì
có thể tạo ra loại dầu parafinic…
FG30hhGi
33445,A "##
 
 
12
FG30hhGi
33445,A "##
KHÍ KHÔNG ĐỒNG HÀNH KHÍ ĐỒNG HÀNH
Thành phần
(%mole)
Australia
(N.W.Sheif)
Algeria
(Hassi
R’Mel)
Newzeala
nd
(Kapuni)
Northsea
(West
Sole)
Abu
Dhabi

(Zakum)
North Sea
(Forties)
North
Sea
(Brent)
N
2
CO
2
H
2
S
CH
4
C
2
H
6
C
3
H
8
C
4
H
10
C
5
H

12+
1.0
3.2
3.2
85.3
5.8
2.0
0.8
1.9
6.1
0.2
0.2
83.5
7.0
2.0
0.8
0.4
1.0
44,9
4,49
46.2
5.2
2.0
0.6
0.1
1.2
0.5
0.5
94.3
3.1

0.5
0.2
0.2
0.7
2.3
0.6
72.0
13.9
6.5
2.6
1.4
1.2
0.7
0.7
46.5
13.2
19.8
10.6
8.0
0.9
0.9
0.9
74.0
12.4
7.5
2.9
1.4
.33*'($%48) "##
 
 

13
FG30hhGi
33445,A "##
339Dj:R5,*"*'($% "##
3393Dj:R5.
•
Khí thiên nhiên được khai thác từ giếng khí hay dầu.
•
Tùy thuộc vào đặc tính của từng giếng mà khi khai thác có những tạp
chất và thành phần khác nhau.
•
Khí thiên nhiên là khí không màu, không mùi (có mùi là do mecaptan cho
vào).
•
Khí thiên nhiên có tính cháy sạch.
•
Thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên là metan (CH
4
).
•
Tỷ trọng của khí thiên nhiên đối với không khí dao động trong khoảng
rộng từ 0,55 - 1,1.
•
Nhiệt cháy cao.
 
 
14
3399*'($% "##
- Gồm 2 thành phần chính: L>)%),*L>)%)
•

L>)%): chủ yếu từ C1 - C4, C4 - C7 ít hơn.
•
L>)%): H
2
O (hơi, lỏng), N
2
, CO
2
, H
2
S, COS, CS
2
, RSH, H
2
, He…
-
Phần không hydrocacbon có một số là tạp chất mà trong quá trình chế biến cần phải
tách chúng nếu không sẽ ảnh hưởng trong quá trình làm việc.
•
H
2
O:
* Làm tăng quá trình ăn mòn khi có mặt CO
2
* Ảnh hưởng đến hệ thống làm việc như tạo hyđrat, đóng băng gây tắc nghẽn đường ống
làm giảm công suất vận chuyển.
•
Nitơ: trơ, không ăn mòn.
•
CO

2
: có tính axit gây ăn mòn.
•
H
2
S: có tính axit gây ăn mòn.
•
H
2
: không là tạp chất.
•
He: trơ, thu hồi vì có giá trị.
Thường loại CO
2
, H
2
O, H
2
S.
FG30hhGi
33445,A "##
 
 
15
3399*'($% "##
FG30hhGi
33445,A "##
 
 
Khí

thiên
nhiên
Propan (C3)
Butan
Phân đoạn nặng
C5+
Xăng thiên nhiên
Condensat
Non Hydrocacbon
( Nước, Cacbonic,…)
LPG
LNGMetan (C1)
LPG – Liquified Petrolium Gas
NGL – Natural Gas Liquids
LNG – Liquified Natural Gas
SNG – Synthetic Natural Gas
Etan (C2)
NGL
16
FG30hhGi
33445,A "##
339k78) "##0có nhiều cách phân loại khác nhau
3393e);]0có 2 loại
% :;* (Unassociaed Natural Gas): là khí được khai thác từ giếng khí hoặc
giếng khí - condensate hay giếng khí - dầu (trong đó dầu chiếm tỷ lệ thấp).
Mỏ khí (gas well), Mỏ khí - dầu, Mỏ khí – condensate:Đặc điểm của mỏ này là nhiệt độ cao
(80 – 100
o
C) và áp suất cao (P≥ 3.10
7

Pa). Trong quá trình khai thác, khí đến đầu miệng giếng sẽ
giảm áp suất và nhiệt độ khiến phần dầu bị ngưng tụ gọi là condensate, tách ra khỏi khí thiên
nhiên, thường là C5+.
Đặc điểm của khí không đồng hành
Thành phần mêtan là chủ yếu 70 - 95%, C2 – C5 chiếm tỉ lệ rất thấp.
Thành phần khí tương đối ổn định, ít thay đổi theo điều kiện lấy mẫu.
Tỷ khối so với không khí thấp: 0,55 – 0,65.
 :;* (Associated Natural Gas): là khí hòa tan trong dầu, lôi cuốn theo dầu trong
quá trình khai thác và được tách ra khỏi dầu sau đó. Khí đồng hành thường được khai thác từ
các mỏ dầu hoặc các mỏ dầu – khí trong đó dầu nhiều hơn khí.
Đặc điểm của khí đồng hành:
Hàm lượng metan thấp hơn khí không đồng hành, hàm lượng C3, C4 và condensate chiếm tỷ
lệ đáng kể.
Thành phần khí thay đổi nhiều tùy theo điều kiện lấy mẫu.
Tỷ khối so với không khí cao: ≥1
 
 
17
FG30hhGi
33445,A "##
?30k78) "e);]
 
 
18
FG30hhGi
33445,A "##
3399e)"*'(@l
-  mL>%+n0 thành phần khí chủ yếu là metan, không chứa hoặc chứa rất ít các
hydrocacbon C3+. Khí khô còn được gọi là khí nghèo hay khí gầy (lean gas). Khí thiên nhiên
được khai thác từ các mỏ khí thuộc loại khí khô.

-  1B"moe"%+n0 ngoài thành phần chủ yếu là mêtan còn có chứa một lượng đáng kể
C3+. Khí ướt còn được gọi là khí béo hay khí giàu. Khí khai thác từ các mỏ khí - condensate và
khí đồng hành có chứa một lượng đáng kể C3+ nên thuộc loại khí béo.
Hàm lượng C3+
≤
50 g/m
3
: khí khô, khí gầy.
50 g/m
3
< hàm lượng C
3+
< 400 g/m
3
: khí trung bình.
Hàm lượng C3+
≥
400g/m
3
: khí béo, khí ướt.
339@e)*581O %H"
-  &"m+oee"%+n: hàm lượng H
2
S ≤ 1/4 grains/100sft
3
hay hàm lượng H
2
S ≤ 6mg
H
2

S/m
3
.
-  %m)>%+n: hàm lượng H
2
S > 1/4 grains/100sft
3
hay hàm lượng H
2
S > 6mg
H
2
S/m
3
.
Trong khí chua có chứa các khí axit H
2
S và CO
2
ngoài ra còn có chứa các hợp chất khác
COS, CS
2
, RSH.
 
 
19
FG30hhGi
?902:;:Kkkp%+k>)e++k8%" p
 S]
 

 
20
393)L8eHq8r
Nhiệm vụ dùng để tách các tạp chất trong khí : H
2
O, các hợp chất chứa lưu huỳnh (H
2
S,
COS, RSH, CS
2
…), CO
2
, N
2
, O
2
và tạp chất cơ học, hydrate, asphaltenes, bụi … Được xử lý
bằng các quá trình:Hấp thụ (absorption), Hấp phụ (adsorption), Quá trình ngưng tụ
(condensation)
399)L8eHq8rL("m>Le)8>e%")L8en
Module này có nhiệm vụ xử lý để đạt tiêu chuẩn sau: tạp chất cơ học và nước (basic
sediment and water), áp suất hơi, muối (Salt), hàm lượng lưu huỳnh (Sulfur Content). BS &
W là một tiêu chuẩn quan trọng nhằm giới hạn hàm lượng nước tự do trong dầu thô (BS &
W = 0,3 – 3% thể tích).
39@)L8eHq8r1B
Nước thải sẽ được xử lý để đạt các tiêu chuẩn về môi trường. Hàm lượng hydrocacbon,
chất rắn tự do, chất rắn hòa tan (CaCO
3
, NaCl, BaSO
4

)
- Chỉ tiêu về hàm lượng hydrocacbon (HC) là rất quan trọng nếu như nước thải sau đó đổ ra
biển. ví dụ quy định về hàm lượng hydrocacbon ở North Sea trong nước thải ở các giàn
khoan nhỏ hơn 40ppm.
- Sự tách hydrocacbon nước thực hiện bằng lắng trọng lực, ly tâm, kết hợp.
- Chất rắn tự do chỉ cần tách nếu đem sử dụng lại (tách bằng phương pháp lắng, lọc, ly
tâm).
- Chất rắn hòa tan phải được xử lý đến mức của chúng có trong môi trường.
FG30hhGi
392:;"<=4"=4">?%"4,* 
 
 
21
392:;"<=4"=4">?%"4,* 
39N)L8e"4a
Mục đích của module này là điều chỉnh điểm sương hydrocacbon, tăng cường chất lượng sản
phẩm khí và sản phẩm lỏng. Thành phần của NGL: C2, C3, iC4, nC4, C5+. Được xử lý bằng các quá
trình: Hấp thụ: dùng dung môi dầu nhẹ (karozen), Ngưng tụ: thiết bị làm lạnh, turbo, van tiết lưu.
39Y)L8e<:Im"%8s%"))L8en
Nhiệm vụ: ổn định NGL trong nhà máy chế biến khí, dễ dàng trong tồn trữ và vận chuyển, ta tiến hành
các quá trình sau: Demetan hóa và deetan hóa
39^)L8eHq8r+.'t5mk>)L">e%")L8en
Tách CO
2
lẫn trong C2, C2+: không dùng chưng cất (vì tạo thành điểm đẳng khí), dùng phương pháp
hấp thụ bằng dung dịch amin (DEA).
Tách các hợp chất lưu huỳnh trong LPG: H
2
S, COS, CS
2

và mercaptan, nếu hàm lượng nhỏ hơn 100
ppm xử lý bằng phương pháp hấp thụ phân tử.
FG30hhGi
392:;"<=4"=4">?%"4,* 
 
 
22
Hình 3: Các sản phẩm chính đi từ khí thiên nhiên
3@3dL!$% "##
FG30hhGi
3@dL!$% "##W5K"+]"#t:],B
4+.'t5"u 
 
 
23
3@9K"+]+.'t5:"u "##
- Khí khô (Dry gas): thành phần chủ yếu là C1, C2. Khí này trước khi đưa vào ống dẫn cần được nâng
đến áp suất cần thiết cho quá trình vận chuyển (trong đó etan là sản phẩm nhẹ nhất của NGL có Ts =
-88
0
C).
- NGL (Natural Gas Liquids): là chất lỏng lấy từ khí thiên nhiên. Thành phần của NGL có thể C2+ hoặc
C3+, C4+ tùy theo điều kiện chế biến khí. Từ NGL bằng chưng cất phân đoạn có thể thu được nhiều sản
phẩm: etan, LPG (propan, butan, hỗn hợp Bu - pro), xăng thiên nhiên.
- LNG (Liquefied Natural Gas): nếu dòng khí từ nhà máy chưng tách NGL được hóa lỏng hoàn toàn thì
được gọi là khí thiên nhiên hóa lỏng. Thường thì khí thiên nhiên C1 được nén và làm lạnh ở 269
O
F (-
167
0

C) thành lỏng và giảm thể tích để dễ bảo quản và vận chuyển.
- LPG (Liquefied Petroleum Gas): khí dầu mỏ hóa lỏng, thành phần chủ yếu là C3, C4. Ở điều kiện
thường, LPG ở trạng thái hơi nhưng ở nhiệt độ và áp suất xác định nó ở dạng lỏng. Khi đó thể tích của
nó giảm đi và chỉ còn từ 1/235 đến 1/275 lần so với thể tích ở dạng hơi.
- Condensate C5+: là thành phần chính của xăng thiên nhiên, dùng làm nhiên liệu hoặc dùng sản xuất
các phân đoạn BTX …
FG30hhGi
3@dL!$% "##W5K"+]"#t:],B
4+.'t5"u 
 
 
24
FG30hhGi
3@@K"+]"#t:],B )"I">1\
%"">I (Heating value): được định nghĩa là tổng lượng nhiệt được giải phóng khi đốt cháy khí một đơn
vị thể tích hay một đơn vị khối lượng ở đktc. Có 2 loại nhiệt trị:
- Nhiệt trị tổng (Gross Heating Value): là tổng lượng nhiệt sinh ra trong quá trình đốt cháy khí với lượng
không khí lý thuyết, trong đó nước sinh ra được làm lạnh và ngưng tụ thành lỏng ở điều kiện chuẩn (15
0
C và
1106 mbar).
- Nhiệt trị thực (Net Heating Value): là tổng lượng nhiệt sinh ra trong quá trình đốt cháy khí trong đó nước
sinh ra vẫn tồn tại ở trạng thái hơi.
- Đơn vị sử dụng cho nhiệt trị thường là MJ/m
3
hoặc Btu/ft
3
, 1000 Btu/ft
3
bằng 32,7 MJ/m

3
.
- Nhiệt trị tổng của khí thường trong khoảng 35 - 45 MJ/m
3
*581O81c (Sulfur content): hàm lượng lưu huỳnh cần phải giới hạn để tránh ăn mòn, tính
độc hại và mùi khi khí được đốt cháy. Hàm lượng H
2
S cho phép khoảng 4 ppm (khoảng 0,25g/100ft
3
). Hàm
lượng lưu huỳnh tổng trong khí thường cao hơn, do khách hàng qui định và thường qui đổi sang hàm lượng
H
2
S.
":K[:0 nhiệt độ phân phối cực đại tại điểm vận chuyển thường qui định vào khoảng 120
0
F
(49
0
C).
L*581O1B: tiêu chuẩn này có thể nêu như là khối lượng nước có trong một thể tích khí hoặc
nhiệt độ điểm sương đối với độ ẩm cực đại ở áp suất qui định. Ở Mỹ, hàm lượng nước thường được qui định là
110mg/m
3
, ở Châu Âu và Canada là 50 - 60 mg/m
3
.
e DR5 +12 "e) L>)%): Tiêu chuẩn được xác định như là nhiệt độ điểm sương đối với
hydrocacbon cực đại cho phép ở áp suất cho trước. Tiêu chuẩn này thay đổi tùy theo khí hậu và yêu cầu của
khách hàng. Ở Bắc Mĩ và Châu Âu, giá trị này thường là -10

0
÷ 0
0
C.
v4 ">2: gồm có N
2
, He, Ar trong đó N
2
là khí trơ quan trọng nhất. Hàm lượng N
2
trong khí thường
được giới hạn không quá 1 – 2% thể tích. Hàm lượng N
2
ảnh hưởng đến nhiệt trị.
b
9
: Cacbondioxide cũng là một khí trơ nhưng được qui định riêng vì khác với các khí trơ khác, CO
2
có
khả năng ăn mòn khi có mặt của nước. Hàm lượng CO
2
tối đa thường được qui định là 2% thể tích.
3@dL!$% "##W5K"+]"#t:],B
4+.'t5"u 
 
 
25
3@NK"+]"#t)4+.'t58X"u
WZ/"## (Natural gasoline): C5+
Áp suất hơi (RVP): 70 – 235 kPa (10 – 34 psia).

% thể tích bay hơi ở 600C (1400F): 25 – 85%
% thể tích bay hơi ở 1350C (2750F): min 90%
Điểm sôi cuối: max 1900C (3750F).
Ăn mòn: không ăn mòn trong phép thử.
Màu: không nhỏ hơn 25 (theo phương pháp Saybolt).
Ww"%"12't5: đây là nguồn nguyên liệu hóa học dùng trong sản xuất nhựa và các sản phẩm
khác. Các tiêu chuẩn đối với etan thương phẩm thay đổi khác nhau nhưng thường rất khắc khe đối với
các tạp chất có thể ảnh hưởng đến quá trình sử dụng. Sự hạn chế hàm lượng CO
2
và CH
4
ở trong etan
thương phẩm đặc biệt quan trọng.
Wk>)'%"12't5,*"%"12't5
Propan thương phẩm là hỗn hợp có thành phần chủ yếu là propan và hoặc propylen. Propan thương
phẩm cần đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng như áp suất hơi, nhiệt trị hàm lượng S tổng, hàm lượng
cặn, độ ẩm, hàm lượng các hợp chất ăn mòn, mùi …
Butan thương phẩm là hỗn hợp có thành phần chủ yếu là butan và hoặc butylen.
WVO'k>)'%W"%makn0hỗn hợp này phải có áp suất không cao hơn so với propan thương
phẩm ở 380C và có nhiệt độ bay hơi 95% thể tích tương đương với butan. LPG cũng cần đáp ứng các
tiêu chuẩn về độ sạch như đối với butan. Đối với PLG dùng làm chất đốt, thành phần của hỗn hợp này
được thay đổi khác nhau để đảm bảo tính chất bay hơi của các hỗn hợp trong các mùa khác nhau. Tuy
nhiên áp suất hơi của hỗn hợp bu - pro thương phẩm ít khi vượt quá 860 kPa (dư) tương đương 125
psia ở 38
0
C (100
0
F).
FG30hhGi
3@dL!$% "##W5K"+]"#t:],B

4+.'t5"u 
 
 