Công nghệ chế biến khí CHƯƠNG 5 CHẾ BIẾN KHÍ

1
CÔNG NGHỆ
CHẾ BIẾN KHÍ
Trường Đại học Công nghiệp
TS. Nguyễn Mạnh Huấn
2
Cụng ngh ch bin khớ
Cụng ngh ch bin khớ
CHNG 5. CH BIN KH
Hỡnh 1.1: Heọ thoỏng thu gom, xửỷ lyự dau khớ
3
Công nghệ chế biến khí
Công nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ
Slug catcher: ống dài gây áp suất thấp
trong ống dẫn khí khiến những dòng
phun condensat tích tụ lại
4
Cơng nghệ chế biến khí
Cơng nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ
Khí thiên nhiên và khí đồng hành ứng dụng theo hai hướng:
•
- Làm nhiên liệu (khí khô)
•
- Nguyên liệu hóa học.
•
Khí béo chứa từ 50 đến 100% C
3+
được chế biến khác nhau.
Trong chế biến khí trước tiên thu hồi xăng thiên nhiên (quá trình

loại xăng).
Sau khi loại xăng: khí (metan, etan, propan và butan) phân tách
để thu được các H/C riêng lẻ.
•
Trong quá trình ổn đònh: thu LPG.
5
Cơng nghệ chế biến khí
Cơng nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ
Trong công nghiệp sử dụng các phương pháp hấp thụ, hấp
phụ và nén để loại xăng.
-
Phương pháp hấp thụ:
Ứùng dụng: khí có C
3+
> 100 g/m
3
.
Các chất hấp thụ: sản phẩm chưng cất dầu
Chất làm lạnh: amoniac hoặc propan lỏng
ϕ
C3
= 90%; ϕ của n- và iso-butan: 95 ÷98%.
-
Phương pháp hấp phụ: ứng dụng khi hàm lượng H/C nặng
trong khí không cao (< 50g/m
3
)
6
Cơng nghệ chế biến khí

Cơng nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ
-
Phương pháp nén: nén, sau đó làm lạnh ⇒ H/C nặng ngưng tụ, phân riêng.
Phương pháp: rẻ, nhưng không thu hồi hoàn toàn H/C nặng.
⇒ ứng dụng kết hợp với các phương pháp khác: nén, tách các H/C nặng, khí tiếp
tục được phân tách (chưng cất nhiệt độ thấp hoặc ngưng tụ nhiệt độ thấp).
-
Ngưng tụ nhiệt độ thấp: khí nén, làm lạnh, ngưng tụ một phần các H/C nặng
nhất, vào tháp phân riêng ⇒ đ tách khí. Khí khô ể ⇒ ống dẫn khí,
Phần ngưng tụ ⇒ tháp chưng cất, thu khí và xăng thiên nhiên.
-
Chưng cất nhiệt độ thấp: nén, làm lạnh, vào tháp chưng cất thu khí (C1 và C2)
vào ống dẫn khí, và H/C nặng (khí xăng).
Nhiệt độ trên của tháp chưng cất luôn âm, còn phần dưới nung nóng. ⇒ thu
hồi hoàn toàn H/C nặng.
7
Cơng nghệ chế biến khí
Cơng nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ
I. CHẾ BIẾN KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGƯNG TỤ
I.1. Khái niệm chung
Ngưng tụ khí là quá trình làm lạnh đẳng áp đến nhiệt độ xuất hiện pha lỏng.
Đơn chất: điểm tới hạn ( T
C
và P
C
)⇒ T>T
C
, P >P

C
:trạng thái một pha, không
thể chuyển sang trạng thái hai pha
Khí đồng hành và khí thiên nhiên là hỗn hợp đa cấu tử ⇒ có vùng tới hạn
Nhiệt độ và áp suất tới hạn ngưng tụ của hệ đa cấu tử : T và P cực đại có thể
tồn tại hai pha.
+ Trong giảm đồ pha có vùng hỗn hợp thể hiện mình như đơn chất nhưng hỗn
hợp chuyển pha trong một vùng nhiệt độ.
+ Quá trình nén hoặc nở đẳng nhiệt tương tự như các đơn chất nhưng pha lỏng
hình thành hoặc bay hơi trong một vùng P
+ Vùng thoái hóa, quá trình ngưng tụ ngược.
8
Công nghệ chế biến khí
Công nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ
9
Cơng nghệ chế biến khí
Cơng nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ
Xét quá trình ngưng tụ khí ngoài vùng tới hạn và cận tới hạn.
+ Khí có nhiệt độ ngưng tụ khác nhau ⇒ làm lạnh thành phần có T
ngưng tụ
cao nhất ở
áp suất riêng phần của nó sẽ ngưng tụ trước tiên.
+ Nếu các thành phần tồn tại cân bằng: trước tiên thành phần T
ngưng tu
ï cao nhất sẽ
ưu tiên ngưng tụ trước.
Đặc tính quan trọng của khí H/C: hòa tan trong H/C lỏng ⇒ cả chất có nhiệt độ
T

hỗn hợp
> T
C
cũng chuyển sang pha lỏng.
Thí dụ: Hỗn hợp: 10% mol CH
4
và 90% mol C
3
H
8
ngưng tụ hoàn toàn ở T= 10
o
C, P=
2,0 MPa. ⇒ CH4 (T
C
= -82
o
C) sẽ chuyển sang thể lỏng ở 10
o
C nếu có C
3
H
8
.
Hòa tan khí và ngưng tụ khí - tỏa nhiệt.
T giảm lượng chất lỏng tăng và chất lỏng giàu các chất dễ bay hơi hơn, pha khí cũng
giàu các chất dễ bay hơi.
Tiếp tục làm lạnh, quá trình tiếp tục đến ngưng tụ hoàn toàn.
10
Cơng nghệ chế biến khí

Cơng nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ
Mức độ ngưng tụ H/C tăng khi tăng P đẳng nhiệt hoặc giảm T đẳng áp.
+ Tăng P đẳng nhiệt mức ngưng tụ tăng nhưng S ngưng tụ giảm,
+ Giảm T đẳng áp: ngưng tụ tăng và độ lựa chọn ngưng tụ cao hơn .
Để đạt được mức thu hồi ϕ kết hợp giữa P và T:
+ Ngưng tụ nhiệt độ thấp (NTNĐT) tiếp tục đến một mức độ ngưng tụ nào đó để đạt
được ϕ cần thiết đối với nguyên tố cho trước.
Thí dụ, ϕ
C3
= 85%
+ Trong vùng P nhỏ: mức ngưng tụ tăng nhanh khi P tăng. Tiêáp tục tăng P cường độ
tăng mức ngưng tụ giảm.
+ Trong vùng T cao mức ngưng tụ tăng nhanh hơn khi giảm Tä, sau đó tiếp tục giảm T
tốc độ ngưng tụ giảm đi.
+ Mức ngưng tụ nào đó có thể đạt được bằng cách kết hợp T và P: Tăng P, T=const :
mức ngưng tụ tăng lên, tiếp theo, hạ nhiệt độ đẳng áp.
11
Cơng nghệ chế biến khí
Cơng nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ
Hình V.1. Sự phụ thuộc mức ngưng tụ vào nhiệt độ và áp suất
12
Cơng nghệ chế biến khí
Cơng nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ
Sơ đồ nguyên tắc chế biến khí bằng phương pháp NTNĐT gồm: nén đến P; làm
khô; làm lạnh đến T để tạo hai pha; tách; khí khô đi sử dụng, pha lỏng đi loại etan
hoặc metan (C
3+

, C
2
).
Hình V.2. Sơ đồ nguyên tắc chế biến khí bằng phương pháp nhiệt độ thấp
1- Máy nén khí nguyên liệu; 2- cụm làm khô khí; 3- cụm làm lạnh; 4- tháp tách; 5- tháp deetan hóa
(hoặc demetan hóa).
I- Khí nguyên liệu áp suất thấp; II- khí nguyên liệu áp suất cao; III- khí nguyên liệu đã làm khô; IV-
hỗn hợp hai pha lỏng – hơi lạnh; V- khí khô; VI- phần ngưng tụ; VII- phân đoạn hydrocarbon; VIII-
khí hydrocarbon từ tháp deetan hóa.
13
Cơng nghệ chế biến khí
Cơng nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ
Phân loại sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp
Sơ đồ công nghệ chế biến NTNĐT được phân loại:
-
Theo số giai đoạn tách;
-
Theo dạng chất làm lạnh;
-
Theo sản phẩm chính.

Theo số lần tách: một, hai và ba giai đoạn.

Theo dạng nguồn lạnh:
Chu trình làm lạnh ngoại;
Chu trình làm lạnh nội;
Chu trình làm lạnh hỗn hợp (ngoại và nội).

Dạng chất làm lạnh:

-
Chất làm lạnh đơn chất : etan, etylen, propan
-
Chất làm lạnh đa phân: hỗn hợp C1, C2, C3, C4

Theo dạng sản phẩm chính: sơ đồ sản suất C2+ và C3+.
14
Cơng nghệ chế biến khí
Cơng nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ
Chất làm lạnh ngọai hỗn hợp :

Trong sơ đồ với chất làm lạnh ngoại hỗn hợp: chất làm lạnh tuần hoàn trong
hệ thống kín (máy nén khí- máy lạnh - bay hơi - máy nén khí) ⇒ chu trình lạnh
ngoại ,
Sử dụng chất làm lạnh hỗn hợp cho T thấp hơn nhiều
⇒ ϕ cao hơn.

Chất làm lạnh hỗn hợp có thể chia thành 2 nhóm:
- Thành phần cố đònh được chuẩn bò sẵn ở ngoài:
Sơ đồ không khác với sơ đồ chu trình lạnh propan ngoại.
- Nhận trực tiếp trong sơ đồ, thành phần thay đổi
Sơ đồ sẽ phức tạp hơn.
15
Cơng nghệ chế biến khí
Cơng nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ
Chu trình làm lạnh nội :

Chia thành các nhóm:

- tiết lưu dòng lỏng
- giản nở khí .

Có thể ứng dụng tất cả nguồn lạnh là tiết lưu các dòng lỏng, nhưng không
kinh tế và ứng dụng phức tạp.

Ứng dụng làm lạnh nội:
-
Khí có độ béo thấp (C
3+
< 70 ÷ 75 g/m
3
) và ϕ thấp.
- Khí đồng hành: kết hợp làm lạnh propan ngoại và làm lạnh nội:
Trong giai đoạn I: làm lạnh tới -30
o
C nhờ làm lạnh ngoại,
Trong giai đoạn II: nhiệt độ thấp hơn - tiết lưu dòng lỏng
- Làm lạnh hỗn hợp nội và ngoại ứng dụng cho khí có độ béo trung bình (C
3+
≈
300 g/m
3
).
Khí có hàm lượng C
3+
> 70 ÷ 75 g/m
3
và cần có ϕ cao ⇒ ứng dụng làm lạnh hỗn
hợp.

16
Cơng nghệ chế biến khí
Cơng nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ
I.2. Sơ đồ công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp (NTNĐT).
•
1. Ngưng tụ làm lạnh ngoại
1.1. Sơ đồ ngưng tụ một giai đoạn, làm lạnh propan ngoại, sản phẩm C3+

Đặc điểm:
- Sơ đồ cổ điển, được ứng dụng rộng rãi.
- Cơ sở để phát triển những sơ đồ hiện đại.
- Sơ đồ có: 1 nguồn lạnh ngoại - propan và 1 thiết bò phân riêng.
17
Cơng nghệ chế biến khí
Cơng nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ
Hình V.3. Sơ đồ NTNĐT một giai đoạn
1, 7 - Tháp tách; 2- máy nén; 3 - máy lạnh không khí; 4, 5
- trao đổi nhiệt; 6,10 - tháp bay hơi propan; 8 - tháp
deetan; 9 - bể chứa;11-nồi sôi lại.
I - khí nguyên liệu; II - khí khô; III - phân đoạn
hydrocarbon (C
3+
)
.
I.2. Sơ đồ công nghệ chế biến
khí bằng phương pháp ngưng tụ
nhiệt độ thấp (NTNĐT).
•

1. Ngưng tụ làm lạnh ngoại
1.1. Sơ đồ ngưng tụ một giai
đoạn, làm lạnh propan ngoại, sản
phẩm C3+

Đặc điểm:
- Sơ đồ cổ điển, được ứng dụng
rộng rãi.
- Cơ sở để phát triển những sơ
đồ hiện đại.
- Sơ đồ có: 1 nguồn lạnh ngoại -
propan và 1 thiết bò phân riêng.
18
Cơng nghệ chế biến khí
Cơng nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ

Deetan hóa là cụm cơ bản:
- Chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế phụ thuộc vào hiệu quả làm việc
của nó.
+ Tăng [C
3
H
8
] trong sản phẩm đỉnh ⇒ tăng mất mát sản phẩm
+ [C
2
H
6
]> 2 ÷ 3% k.l. thì C

3+
không hợp qui cách
- Deetan hóa là tháp chưng cất:
+ 10 ÷ 12 mâm lý thuyết, sau này 30 mâm supap,
+ P = 3,0 ÷ 3,5 MPa.
+ Lựa chọn áp suất dựa vào:
o
P > 4,0MPa không đòi hỏi chi phí thêm năng lượng duy trì P trong tháp
deetan,
o
Với áp suất như vậy chất làm lạnh propan đáp ứng chế độ nhiệt độ
đỉnh.
o
P cao làm xấu điều kiện phân tách pha.
o
3,5 MPa = 0,8 giá trò P
C
sản phẩm đáy ⇒
T
đỉnh
= 0 ÷ -30
o
C, T
đáy
= 90 ÷ 120
o
C.
19
Cơng nghệ chế biến khí
Cơng nghệ chế biến khí

CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ

Deetan hóa
Lò gia nhiệt và
tháp deethan hóa
ở nhà máy Dinh
Cố

Sản phẩm của tháp deetan hóa:
-
Đỉnh: CH
4
(20 ÷70% t.t), C
2
H
6
(30 ÷ 75%t.t.) và C
3
H
8
< 5%t.t
-
Đáy: C3+ ⇒ propan, butan, pentan và khí xăng (C5+) hoặc khí dân dụng.
20
Cơng nghệ chế biến khí
Cơng nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ
Hình V.5. Sơ đồ NTNĐT với chu trình gồm các chất làm lạnh hỗn
hợp.
1,4 - Máy nén khí; 2,5 - máy lạnh không khí, 3,6,9 - trao đổi nhiệt;

7 - thiết bò làm lạnh bằng chất làm lạnh hỗn hợp; 8,10 - tháp phân
riêng; 11- tháp deetan; 12 - bể chứa; 13,14 - van tiết lưu.
I - Khí nguyên liệu; II - khí khô; III – C
3+
.
1.2. Sơ đồ NTNĐT một giai đoạn, chất
làm lạnh hỗn hợp, nhận C3+

Đặc điểm:
- Chất làm lạnh nhận được trực tiếp
trong sơ đồ
- Công suất khí 1 tỷ m
3
/năm,
ϕ
C3
= 84%.
-
Tăng phân tử lượng chất làm lạnh công
suất làm lạnh của nó tăng ⇒ Khối
lượng chất làm lạnh và năng lượng chi
cho việc nén giảm.
-
Thành phần chất làm lạnh có thể lựa
chọn sao cho việc ứng dụng nó kinh tế
hơn so với sử dụng chu trình propan.
21
Cơng nghệ chế biến khí
Cơng nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ

1.3. Sơ đồ NTNĐT một giai đoạn, làm lạnh propan và etan, nhận C2+
Hình V.6. Sơ đồ NTNĐT một giai đoạn với các chu trình lạnh
propan ngoại và etan để nhận được C2+.
1,4,10 - Tháp tách; 2 - máy nén; 3 - máy lạnh không khí; 5 - cụm
làm khô; 6,8- trao đổi nhiệt; 7,12,15 - làm lạnh bằng propan; 9 - làm
lạnh bằng etan; 11 - tháp demetan; 13, 16 - bể chứa; 14 - tháp
deetan.
I- Khí nguyên liệu; II - khí khô; III - phân đoạn hydrocarbon; IV -
etan thương phẩm.

Đặc điểm:
- có 2 nguồn lạnh riêng rẽ trên
một giai đoạn: propan và etan.
- Làm lạnh khí trong máy lạnh
không khí 3, trao đổi nhiệt 6, làm
lạnh propan 7, trao đổi nhiệt 8 và
thiết bò làm lạnh etan 9 mà
không tách pha lỏng ⇒ etan hoà
tan nhiều hơn trong H/C lỏng ⇒
tăng thu hồi C2.
- Có Tháp demetan: loại toàn bộ
metan ra khỏi phân đoạn H/C
nặng và tránh mất mát etan.
22
Cơng nghệ chế biến khí
Cơng nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ

Tháp demetan hóa:
P = 3,5 ÷ 4,0 MPa,

T
13
= -60 ÷ -90
o
C, xác đònh ϕ
C2
: T
13
càng thấp ϕ
C2
càng cao.
T
dưới
= 20 ÷ 60
o
C,
20 ÷ 25 mâm supap.
- Tháp demetan làm việc cần thỏa mãn:
[C
2
] trong sản phẩm đỉnh < 5% k.l. ;
[C
1
] < 2%k.l.

Tháp deetan:
P, T
dưới
như trong tháp demetan,
T

trên
cao hơn nhiều (0 ÷10
o
C) do [C1] trong nguyên liệu và sản phẩm trên của
tháp etan thấp (< 2% k.l.).
Sản phẩm đỉnh của tháp etan: thường pha hơi, nhưng trong một số trường hợp
nó được hóa lỏng.
- Tháp deetan cần đáp ứng độ sạch sản phẩm:
[C
3
] trong sản phẩm đỉnh < 2% k.l.;
[C
2
] trong sản phẩm đáy < 2%k.l
23
Cơng nghệ chế biến khí
Cơng nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ
Hình V.7. Sơ đồ NTNĐT hai giai đoạn để nhận được C2+ với chu trình làm lạnh propan và etan.
1 - Tháp tách; 2 - tháp làm khô; 3 - bộ lọc bụi; 4- hệ trao đổi nhiệt và làm lạnh bằng propan; 5,7- tháp phân
riêng nhiệt độ thấp; 6- hệ thống trao đổi nhiệt và làm lạnh bằng etylen; 8,15 - bể chứa; 9- thiết bò làm lạnh
bằng etylen; 10 - tháp demetan; 11,16 - nồi sôi lại; 12 - bể chứa trung gian; 13 - tháp deetan; 14 - thiết bò làm
lạnh bằng propan; 17 - bộ phận làm sạch CO2; 18 - thiết bò làm lạnh bằng propan.
I- Khí nguyên liệu; II- metan; III- etan; IV- C
3+
1.4. Sơ đồ NTNĐT 2 giai đoạn, làm
lạnh propan và etan, nhận C2+

Đặc điểm:
-

Chu trình làm lạnh propan-etan
hoặc propan - etylen.
- Trong giai đoạn I: làm lạnh
bằng C3, II: etylen hoặc etan.

Ứùng dụng: thu hồi sâu C
3
(> 80%),
hoặc để tách C
2
.

Công suất: 4,25 triệu m
3
khí thiên
nhiên/ngày (~1,5 tỷ m3/năm).

Thu h i:ồ ϕ
C2
= 85%, ϕ
C3
= 99% và
ϕ
C4+
= 100%
24
Cơng nghệ chế biến khí
Cơng nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ


Cụm công nghệ điển hình chế biến khí thiên nhiên, khí đồng hành để thu
được etan.

Không có sự khác nhau giữa làm lạnh propan-etylen và propan-etan, nhưng
propan-etylen cho phép nhận được T thấp hơn
(nhiệt độ sôi của etan là -88,65
o
C, của etylen là -103,71
o
C), Ưu thế chu
trình propan-etan: nhận trực tiếp trong nhà máy

Quá trình ngưng tụ nhiều giai đoạn đòi hỏi đầu tư cao hơn.
⇒ + Thu hồi C3+ : 1 giai đoạn.
+ Mức thu hồi C3+ hoặc C2+ cao: 2 và 3 giai đoạn
hoặc sử dụng làm lạnh nối tiếp, hoặc làm lạnh nội hoặc hỗn hợp.
25
Cơng nghệ chế biến khí
Cơng nghệ chế biến khí
CHƯƠNG 5. CHẾ BIẾN KHÍ
2. Ngưng tụ làm lạnh trong (nội)

Chế biến khí với [C3+] < 70 ÷ 75 g/m
3
: NTNĐT với nguồn lạnh duy nhất là
thiết bò giãn nở turbin ⇒ thu hồi sâu: C
2
, C
3
và C

4+

Sơ đồ tiêu biểu :
- nén khí nguyên liệu;
- làm khô khí;
- trao đổi nhiệt ;
- phân riêng áp suất cao;
- giảm áp turbin + phân riêng áp suất thấp;
- demetan và deetan hóa;
- nén khí khô để đưa nó vào ống dẫn chính.