Bài giảng công nghệ chế biến khí chương 3 làm khô khí

TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 1
Chương 3:

Làm khô khí
Làm khô khí
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 2
Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí
3.1. Giới thiệu chung
Nước là tạp chất phổ biến nhất lẫn trong các hydrocarbon
Nước lẫn trong khí thiên nhiên trong quá trình khoan, khai thác, và
quá trình làm ngọt khí (tách loại các khí chua H
2
S, CO
2
) vv…
Nước gây ra các vấn đề sau:

Tạo thành hyđrát gây tắc nghẽn van, đầu vòi, … trong quá trình
vận chuyển

Gây ăn mòn đường ống, các thiết bị

Gây ra các phản ứng phụ, tạo bọt, hoặc làm mất hoạt tính xúc
tác trong các quá trình chế biến tiếp theo
TS. Nguyễn H

ữu Lương
CN Chế Biến Khí 3
Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí
•
Hàm lượng hơi nước trong khí tùy thuộc vào áp suất,
nhiệt độ, và thành phần hóa học của khí.
•

Độ ẩm bão hòa
là độ ẩm ứng với trạng thái bão hòa hơi
nước của khí.
•

Độ ẩm tuyệt đối
là khối lượng nước chứa trong 1 đơn vị
thể tích hoặc 1 đơn vị khối lượng khí.
•

Độ ẩm tương đối
là tỷ lệ giữa khối lượng hơi nước chứa
trong khí và khối lượng hơi nước cực đại chứa trong thể
tích khí xác định ở điều kiện bão hòa.
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 4
Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí

ϕ = p / P
với: ϕ: độ ẩm tương đối
p: áp suất riêng phần hơi nước trong khí
P: áp suất hơi nước bão hòa
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 5
Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí
•
Độ ẩm cân bằng của khí thiên nhiên phụ thuộc vào
thành phần khí và hàm lượng muối:

Tăng tỷ trọng khí và hàm lượng muối, hàm lượng nước của khí
giảm.

Khi có H
2
S, CO
2
thì độ ẩm của khí tăng.

Khi có N
2
thì độ ẩm khí giảm.
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 6
Chương 3:

Làm khô khí
Làm khô khí
•
Hydrat là hợp chất dạng tinh thể tồn tại ở trạng thái bền
vững trong điều kiện xác định.
•
Điều kiện tạo hydrat:

Nhiệt độ, áp suất khí.

Thành phần khí: C
1
, C
2
, C
3
, i-C
4
, N
2
, H
2
S, CO
2
, Ar có thể tạo
hydrat, nhưng n-C
4
không tạo hydrat. Nhiệt độ bắt đầu tạo
hydrat của C
1

giảm khi trong khí có chứa C
3+
.

Nồng độ muối: tăng nồng độ muối, nhiệt độ bắt đầu tạo
hydrat giảm.
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 7
Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí
3.2. Làm khô khí bằng phương pháp ức chế
•
Làm khô khí nhằm lấy hơi nước ra khỏi khí và hạ điểm
sương xuống thấp hơn nhiệt độ vận chuyển và chế biến.
•
Hàm lượng nước tối đa cho phép trong dòng khí sản
phẩm thông thường là 100 mg H
2
O/ 1 Sm
3
khí.
•
Các phương pháp làm khô khí:

Dùng chất ức chế để hạn chế tạo hydrat.

Hấp thụ hơi nước bằng chất lỏng háo nước.


Hấp phụ hơi ẩm bằng chất làm khô rắn họat hóa.

Ngưng tụ hơi ẩm nhờ nén hoặc làm lạnh khí.
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 8
Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí
Hàm lượng nước trong khí thiên nhiên cần phải được
tính toán, dự đoán để qua đó xây dựng được phương án
làm khô khí tối ưu.
Hàm lượng nước bão hoà trong khí ngọt phụ thuộc vào
P, T, và thành phần khí (tỷ trọng tương đối : SG
g

= M
g
/
M
kk
= M
g
/ 28.97)
Khí chua (có chứa H
2
S và CO
2
) sẽ có hàm lượng nước
cao hơn. Cần phải hiệu chỉnh hàm lượng nước khi nồng

độ H
2
S và/hoặc CO
2
trong dòng khí lớn hơn 5%
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 9
Phương pháp tính toán, dự đoán

Xác định từ đồ thị:

Giản đồ McKetta và Wehe (1958): khí ngọt

Giản đồ Campbell: khí chua

Dùng công thức
Đơn vị: [mg/Sm
3
]; [lb/MMscf]
Sm
3
: mét khối chuẩn; đo tại điều kiện chuẩn ISO 2533 101.35 kPa;
15
o
C
MMscf : triệu feet khối chuẩn, đo tại 14.7 psi (101.35kPa); 60
o
F
(15.56

o
C)
1 lb = 0.454 kg
Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 10
Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí
Hàm lượng nước trong khí ngọt
Giản đồ McKetta và Wehe
Xác định hàm lượng nước bão hoà cho dòng khí
hydrocacbon ngọt có SG
g
0.9; nhiệt độ 70
o
C và áp
suất 6000 kPa.
- Từ Hình 1: W = 4500 mg/Sm
3

- Hệ số hiệu chỉnh cho SG
g
0.9: C
G
= 0.98
->Hàm lượng nước: W = 0.98 x 4500 = 4410 mg/Sm

3

?
01
A
01
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 11
Hàm lượng nước trong khí chua

Tính hàm lượng nước cho dòng khí: 80% C
1
, 10% H
2
S và 10%
CO
2
, tại 70
o
C và 6000 kPa.
a) Áp dụng công thức:
W = y
HC
W
HC
+ y
H2S
W
H2S

+ y
CO2
W
CO2

= 0.8x4500 + 0.1x6000 + 0.1x4700 = 4670 mg/Sm
3
Đọc W
HC
, W
H2S
, W
CO2
từ các Hình 1, 2 và 3
b) Dùng giản đồ Campbell với nồng độ H
2
S tương đương:
y
H2S*
= y
H2S
+ 0.75 x y
CO2
= 0.175 = 17.5%
Đọc hàm lượng nước từ Hình 4: W = 4500 mg/Sm
3
(6900 kPa);
12000 mg/Sm
3
(2100 kPa) -> tại 6000 kPa: W = 4514 mg/Sm

3
?
02
A
02
Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 12
Xác định điều kiện P, T tạo thành hydrat:

Xác định SG
g

Sử dụng Hình 5 để đọc giá trị P, T tương ứng

Phương pháp Katz
Xác định điều kiện tạo thành hydrat trong quá trình
giãn nở khí (giảm áp)

Sử dụng các giản đồ trong Hình 6-7
Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 13
Chương 3:

Làm khô khí
Làm khô khí
Cho dòng khí:
a) Xác định P tạo thành hydrat tại 10
o
C.
b) Dòng khí trên được giãn nở từ 10000 kPa
xuống 3400 kPa. Xác định T tối thiểu để
không có sự tạo thành hydrat trong quá
trình giãn nở.
c) Dòng khí trên tại 15000 kPa, 40
o
C có thể
giãn nở đến áp suất nào mà không bị tạo
thành hydrat?
0.002
CO
2
0.094
N
2
0.024C4
0.036C3
0.060C2
0.784C1
?
04
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 14

Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí
a) SG
g
= 0.693
Đọc từ giản đồ trong Hình 5: P = 2200 kPa
b) Từ giản đồ trong Hình 7, tìm điểm nối giữa đường áp
suất đầu 10000kPa và áp suất sau 3400 kPa. Đọc T
tương ứng (~45
0
C).
c) Cũng từ Hình 7, tìm điểm nối giữa đường áp suất đầu
15000kPa và nhiệt độ 40
0
C, đọc áp suất sau (~ 8000
kPa)
A
04
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 15
Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí
Phương pháp Katz

Chính xác hơn phương pháp dùng đồ thị

Chọn một giá trị T tại P cho trước (hoặc P tại T cho

trước)

Sử dụng các giản đồ trong Hình 8-11 để xác định
hằng số cân bằng khí-rắn K
v-s
cho mỗi hydrocarbon.

Xét tổng Σ(y
i
/K
i,v-s
)

Lặp lại 3 bước trên cho đến khi Σ(y
i
/K
i,v-s
) = 1
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 16
Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí
Cho dòng khí:
Xác định P tạo thành hydrat tại 2000
kPa theo phương pháp Katz.
So sánh với kết quả của
?
05

0.002CO2
0.094N2
0.024C4
0.036C3
0.060C2
0.784C1
?
04
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 17
Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí
Xét T = 10
o
C
A
05
y
K
v-s
y/K
v-s
C1 0.784 2.05 0.382
C2 0.060 0.82 0.073
C3 0.036 0.12 0.3
C4 0.024 0.045 0.533
∑y/K
v-s

= 1.288 > 1
Xét T = 12
o
C
y
K
v-s
y/K
v-s
C1 0.784 2.12 0.3698
C2 0.060 1.1 0.0545
C3 0.036 0.23 0.1565
C4 0.024 0.084 0.2857
∑y/K
v-s
= 0.8665 < 1
Xét tại 11
o
C, thu được ∑y/Kv-s = 1.0417 ~ 1,
có thể kết luận đây là nhiệt độ tạo hydrát của dòng khí tại 2000 kPa
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 18
Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí
Đối với dòng khí chua có nồng độ H
2
S, CO
2

cao:

Không sử dụng được phương pháp Katz !!!

Sử dụng phương pháp Baille-Wichert: hiệu chỉnh
nhiệt độ tạo hydrat thông qua % C
3
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 19
Cho dòng khí:
a) Xác định T tạo thành hydrat tại
4200 kPa ?
?
06
0.042
H
2
S
0.070
CO
2
0.003
N
2
0.004C4
0.007C3
0.031C2
0.843C1
Chương 3:

Làm khô khí
Làm khô khí
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 20
Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí
Dùng phương pháp Baille-Wichert
a) SG
g
= 0.682
b) Giản đồ Hình 12: 4200 kPa -> 4.2 %H
2
S -> SG
g
= 0.682
c) Theo độ dốc ở phần dưới của giản đồ xác định được T tạo
hydrat tương ứng là 17.5
o
C.
d) Hiệu chỉnh theo %C
3
Từ giản đồ hiệu chỉnh trong Hình 12, tìm điểm nối giữa %H
2
S và
%C
3
. Dóng thằng xuống đường P = 4200kPa.
Đọc nhiệt độ hiệu chỉnh: -1.5

o
C.
e) Vậy T tạo hydrat của dòng khí này là 16
o
C
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 21
Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí
Phương pháp hấp thụ bằng dung môi: EG, DEG, TEG,
PG
Phương pháp hấp phụ bằng chất hấp phụ rắn: Alumina,
Rây phân tử, silica gel, CaCl
2

Phương pháp làm lạnh dưới điểm sương bằng tác nhân
lạnh hoặc giãn nở nhanh
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 22
Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí
3.2.1. Phương pháp ức chế tạo hydrate
•
Bản chất của phương pháp ức chế là đưa vào dòng khí
ẩm chất ức chế hòa tan trong nước tự do và do đó làm
giảm áp suất hơi nước và nhiệt độ tạo hydrat.

•
Các chất ức chế thường sử dụng: methanol, glycol,…
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 23
Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí
•
Phương trình
Hammerschmidt
:
∆t = 0,556 K W / (M(100-W))
∆t: lượng giảm nhiệt độ hydrat hóa ở áp suất xác định (
0
C).
W: hàm lượng chất ức chế (%).
M: phân tử lượng chất ức chế.
K: hằng số (K = 2335 cho methanol, = 4000 cho glycol).
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 24
Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí
•
Chi phí chất ức chế (kg/1000 m
3
khí) để lọai trừ hình
thành hydrat:

q = (W
1
– W
2
) C
2
/(C
1
– C
2
)
W
1
, W
2
: hàm lượng ẩm trong khí trước và sau khi đưa chất ức chế
vào (kg/1000 m
3
khí).
C
1
, C
2
: nồng độ khối lượng chất ức chế trước và sau khi sử dụng.
TS. Nguyễn H
ữu Lương
CN Chế Biến Khí 25
Chương 3:
Làm khô khí
Làm khô khí

•
So sánh các chất ức chế:

Methanol: áp súât hơi bão hòa cao nên khó thu hồi và hòan
nguyên.

Glycol: đắt hơn methanol, áp suất hơi bão hòa thấp hơn nên có
thể thu hồi và hòan nguyên hòan tòan.