Phương pháp chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp

Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
MỞ ĐẦU
Ngành dầu khí nước tuy là một ngành mới hình thành và phát triển
được hơn 20 năm nhưng đã có những đóng góp ngày càng to lớn về nhiều
mặt cho sự phát triển của đất nước. Đặc biệt là sự ra đời của ngành công
nghiệp chế biến dầu khí. Đây là một trong những tiền đề quan trong hàng
đầu và là nguồn nguyên liệu chủ yếu để phát triển nhiều ngành công nghiệp
mới.
Cùng với quá trình khai thác dầu thô, thì nghành công nghiệp dầu khí
đã hình thành từ năm 1995 và hiện đang phát triển một cách mạnh mẽ. Trên
đất nước ta hiện nay đã triển khai xây dựng nhiều chương trình về khai thác
và chế biến khí vào năm 2002 đã cung ứng kịp thời chho sản xuất công
nghiệp và tiêu dùng gần 147 000 tấn condensate và 349 000 tấn PLG thay
thế cho hàng nhập khẩu.
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật từ khí tự nhiên và khí
đồng hành người ta đã sản xuất ra nhiều sản phẩm khác nhau như: rượu,
axeton, andehyt, NH
3
, chất dẻo sợi, phân bón, dầu nhờn, chất tẩy rửa tổng
hợp … và là nguồn nguyên liệu cho các ngành như: mỹ phẩm, công nghiệp,
in, dệt may…phục vụ nhiều cho công nghiệp và đời sống của nhân dân.
Chính vì những lợi ích to lớn mà nghành dầu khí nói chung và ngành
chế biến khí nói riêng đem lại thì việc đầu tư và phát triển công nghiệp
ngành công nghiệp mũi nhọn này là một đi đúng hướng của đảng và nhà
nước ta nhằm thúc đẩy kinh tế và cải thiện đời sống nhân dân.
Trong phạm vi đồ án này ta chỉ nghiên cứu phương pháp chế biến khí
bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp vì phương pháp này vừa đơn giản
mà cho hiệu quả cao, và có tính khả thi nhất.
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
1

Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
Đồ án này gồm 5 phần:
Phần I: Mở đầu.
Phần II: Tổng quan.
- Cơ sở hóa lý của quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp.
- Tổng quan về công nghệ.
Phần III: Tính toán thiết kế.
- Cân bằng vật chất.
- Cân bằng nhiệt lượng.
Phần IV: Thiết kế công nghệ.
Phần V: Kết luận.
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
2
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHÍ TỰ NHIÊN VÀ KHÍ
ĐỒNG HÀNH.
I.1. Thành phần và tính chất của khí tự nhiên và khí đồng
hành.
Những cấu tử cơ bản của khí tự nhiên và khí đồng hành là: metan,
etan, propan, butan (n- và zo). Khí tự nhiên được khai thác từ các mỏ khí với
thành phần chủ yếu là metan (chiếm 98% thể tích). Những mỏ khí tự nhiên
là những túi khí nằm sâu dưới mặt đất. Khí đồng hành được khai thác từ các
mỏ dầu đồng thời với quá trình khai thác dầu thô .Trong thành phần của khí
đồng hành ngoài cầu từ chính là metan còn có etan, propan, butan, và các
hydrocacbon nặng chiếm một hàm lượng đáng kể và phạm vi thay đổi thành
phần của các cấu tử này trong một khoảng khá rộng. Ngoài ra trong thành
phần khí tự nhiên và khí đồng hành còn có H
2

O, H
2
S và các hợp chất chứa
lưu huỳnh CO
2
, N
2
, và Heli.
Người ta còn tiến hành phân loại khí dựa vào hàm lượng các
hydrocacbon từ propan trở lên. Trong đó khí chứa trên 150g/m
3
các cấu từ
propanbutan và các hydrocacbon nặng được gọi là khí béo. Khí này được
ứng dụng chế tạo xăng khí, khí hóa lỏng (LPG) và nguồn hydrocacbon cho
công nghệ tổng hợp hữu cơ. Còn khí chứa dưới mức 50g/m
3
các
hydrocacbon nặng được gọi là khí gầy. Và ứng dụng làm nhiên liệu cho
công nghiệp và đời sống, làm nguyên liệu cho công nghệ tổng hợp hữu cơ ,
sản xuất phân đạm.
Ở Việt Nam hiện nay người ta đã phát hiện được rất nhiều mỏ khí và
trữ lượng khí hàng năm đạt được khoảng 1300 tỷ m
3
khí .Dưới đây là một số
mỏ khí của Việt Nam.
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
3
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
ảng1: Thành phần khí ở bể Cửu Long.

Mỏ
Thành
phần
Bạch Hổ
(lô 09)
Rồng(lô 09) Rạng đông
(lô 09)
Ruby
(lô 01)
khí tự do đồng hành
Metan(C
1
) 76,82 84,77 76,54 77,62 78,02
Etan (C
2
) 11,87 7,220 6,890 10,04 10,67
Propan(C
3
) 5,980 3,460 8,250 5,940 6,700
Butan(C
4
) 1,040 1,700 0,780 2,830 1,740
Condensat 0,320 1,300 0,500 0,970 0,380
N
2
0,500 - - 0,330 0,600
CO
2
1,000 - - 0,420 0,070
H

2
S - - - - -
Bảng2: Thành phần khí ở Bể Nam Côn Sơn(% theo thể tích)
Mỏ
Thành
phần
Đại
Hùng
(05-!a)
Lan Tây
(06-1)
Lan Đỏ
(06-1)
Rồng
Đôi
(11-2)
Hải
Thạch
(05-2)
Mộc
Tinh
(05-3)
Metan(C
1
) 77,25 88,5 93,9 81,41 81,00 89,44
Etan(C
2
) 9,490 4,30 2,30 5,250 5.200 3,800
Propan(C
3

) 3,380 2,40 0,50 3,060 2,800 1,480
Butan(C
4
) 1,340 0,60 0,10 1,470 1,500 0,710
Condensat 0,480 1,40 0,20 0,550 4,700 0,540
N
2
4,500 0,30 1,60 0,080 0,110 0,150
CO
2
- 1,90 1,2 5,640 4,400 3,880
H
2
S - 10,0 Chưa đo 0,000 - -
I.2.Tình hình chế biến và sản xuất khí tự nhiên và khí đồng
hành trên thế giới và ở Việt Nam
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
4
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
Trước đây trên thế giới nguồn khí thu được thường bị đốt bỏ hoặc chờ
được sử dụng như là một nhiên liệu để đốt .Điều này gây ra sự lãng phí vừa
làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường xung quanh bởi lẽ trong khí tự
nhiên và khí đồng hành ngoài việc là một nhiên liệu tốt thì từ khí tự nhiên
và khí đồng hành ta còn thu được các chất hydrocacbon và phi hydrocacbon
làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác . Do vậy trong những năm
gần đây rất nhiều nước trên thế giới đặc biệt là những nước phát triển đã
đầu tư và phát triển ngành công nghiệp chế biến khí cụ thể
ở Nga và các nước công nghiệp phát triển đã sử dụng hợp lý nguồn
hydrocacbon mang lại nguồn lợi to lớn bởi vì metan là thành phần chính có

trong khí tự nhiên được dùng làm nhiên liệu cho lò nung và nồi hơi. Ngoài
ra etan , propan ,butan và các hydrocacbon nặng còn được dùng cho công
nghiệp tổng hợp hữu cơ.
ở Mỹ, từ etan đã chế biến 40% etylen phục vụ cho sản xuất nhựa tổng hợp,
oxit etylen, chất hoạt động bề mặt , nhiều sản phẩm và bán sản phẩm hóa
học khác. Ngoài ra từ khí tự nhiên và khí đồng hành , sau khi làm sạch và
chế biến khí người ta còn nhận được một lượng lớn lưu huỳnh ,heli và một
số sản phẩm vô cơ khác phục vụ cho nhiều ngành kinh tế quốc dân. Mỹ và
Canada là một trong hai nước đứng đầu về sản xuất heli, một trong những
sản phẩm quan trọng nhất trong công nghệ nghiên cứu vũ trụ, nghiên cứu kỹ
thuật thâm lạnh , sắc ký...
ở các nước Tây âu, sau khi tìm ra các mỏ khí tự nhiên lớn đã tăng cường
sự quan tâm đến các nguyên liệu nhiệt phân nhẹ .
Trong những năm gần đây các nước Trung đông (Iran, Arapxeut,
Beren...) dự định hoàn thành chương trình về khai thác , chế biến và vận
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
5
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
chuyển khí đồng hành với tổng giá trị khoảng 33 tỉ USD . Người ta nghĩ
rằng điều này cho phép xuất khẩu khoảng 46 triệu tấn PLG mỗi năm.
Riêng ở Việt Nam ngành dầu khí nước ta tuy mới hình thành và phát
triển nhưng với tiềm năng về khí khá phong phú thì đây là một tiền đề quan
trọng để ngành công nghiệp này phát triển hơn. Cho đến nay Việt Nam đang
khai thác 6 mỏ dầu và 1 mỏ dầu khí, hình thành 4 cụm khai thác dầu quan
trọng:
• Cụm mỏ thứ nhất : nằm ở vùng đồng bằng Bắc Bộ gồm nhiều mỏ
khí nhỏ , trong đó có Tiền Hải “C”, trữ lượng khoảng 250 m
3
/khí , đã bắt đầu

khai thác từ tháng 12 năm 1981với trên 450 triệu m
3
/khí phục vụ cho công
nghiệp địa phương và là nguồn nguyên liệu cho công nghiệp khí ở các tỉnh
phía Bắc.
•Cụm mỏ thứ hai: thuộc vùng biển Cửu Long, gồm chứa 4 mỏ dầu :
Bạch Hổ, Rồng, Rạng Đông, Rubi là cụm quan trọng nhất hiện nay , cung
cấp trên 96% sản lượng dầu toàn quốc.
• Cụm mỏ thứ ba: ở vùng biển Nam Côn Sơn gồm mỏ dầu Đại Hùng
đang khai thác và các mỏ khí đã phát hiện ở khu vực xung quanh là Lan Tây,
Lan Đỏ, Hải Thạch, Mộc Tinh và mỏ dầu khí Rồng Đôi Tây … đang chuẩn
bị đưa vào khai thác .
. Cụm mỏ thứ tư : tại thềm lục địa Tây Nam bao gồm mỏ Bungakclwa
-Các nước đang khai thác dầu mỏ BungaOrkid, Bunga parkma, Bunga Rây
tại khu vực thỏa thuận thương mại Việt Nam – Malaysia là khu khai thác và
cung cấp khí lớn thứ hai và sẽ là cơ sở đảm bảo sự phát triển khu công
nghiệp dầu khí ở Cà Mau – Cần Thơ .
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
6
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
Với tiềm năng về khí khá phong phú như vậy , Viêt Nam có nhiều
điều kiện phát triển công nghiệp khai thác và chế biến khí thúc đẩy mạnh
hơn nền kinh tế và đưa đất nước ta lên một tầm cao mới.
CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ BIẾN KHÍ TỰ NHIÊN
VÀ KHÍ ĐỒNG HÀNH
II.1.Phương pháp chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ
Tiến hành chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ ở nhiệt độ thấp từ
-25
o

C - -35
o
C áp suất cao 3,0 – 4,0 Mpa. Đây được coi là phương pháp có
hiệu quả và kinh tế hơn cả để chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành.
Khí đồng hành từ xí nghiệp khai thác dầu được nén bằng máy nén khí
sau đó được làm lạnh và đưa vào thiết bị sấy khí để tách ẩm rồi được đưa
qua thiết bị trao đổi nhiệt và làm nguội sau đó khí được đưa đến thiết bị
ngưng tụ nhiệt độ thấp. Tại đó , khí được nén và làm lạnh tới nhiệt độ âm
cần thiết tiếp theo hỗn hợp khí được đưa sang bộ phân tách khí lúc này một
phần hydrocacbon đã ngưng tụ được tách ra.
Sau khi được nén và làm lạnh thì hỗn hợp khí bằng hai phần:
+ Phần ngưng tụ (gọi là condesat) của bậc nén và làm lạnh.Khí đồng
hành được bơm từ thùng chứa qua bộ phận trao đổi nhiệt sang cột tách etan.
Tại đó phân đoạn chứa metan và etan được tách ra. Sau đó benzin lá phần
ngưng tụ đã tách metan và etan qua thiết bị trao đổi nhiệt vào bình chứa, từ
đó nó được đưa đị chế biến tiếp.
Phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp để tách bezin từ khí đồng hành là
phương pháp rất tốn kém, để thực hiện được cần có thiết bị làm lạnh phức
tạp. Tuy nhiên do sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản, mà hiệu quả tách
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
7
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
benzin ra khỏi hỗn hợp khí khá cao, triệt để nên phương pháp này được ứng
dụng rộng rãi trong công nghiệp chế biến khí.
II.2. Chế biến khí bằng phương pháp hấp thụ
Ngoài chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ thì người ta còn áp
dụng phương pháp hấp thụ để chế biến khí. Trong đó hấp thụ và giải hấp thụ
là hai quá trình chuyển biến khối cơ bản được sử dụng để tách khí thiên
nhiên và khí đồng hành.

Quá trình này được thực hiện là nhờ sự hình thành cân bằng pha giữa
hai pha khí lỏng do sự khuyếch tán của các chất từ pha nọ sang pha kia,
Động lực của quá trình khuyếch tán là sự chênh lệch áp suất riêng phần giữa
các cấu từ trong pha lỏng và pha khí. Nếu áp suất riêng phần của các cấu tử
trong pha khí lớn hơn pha lỏng thì sẽ xảy ra quá trình hấp thụ (tức chất lỏng
hấp thụ chất khí).
Nếu ngược lại thì sẽ xảy ra quá trình hầp thụ và nhả hấp thụ được thực
hiện trong các tháp hấp thụ và các tháp chưng luyện có cấu tạo kiểu tháp đĩa
hoặc tháp đệm, chất hấp thụ được dùng ở đây là các phân đoạn benzin
kerosene, hoặc hỗn hợp của chúng.
(Hình1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị hấp thụ /156)
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
8
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
*Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ:
Khí nguyên liệu sau khi được làm sạch khí các giọt lỏng và các tạp
chất cơ học , đựơc nén , sấy đến điểm sương cần thiết, và đưa vào đĩa
cuối cùng của tháp hấp thụ 1 . Chất hấp thụ đựơc tái sinh được tưới lên
đĩa trên cùng.Trong thiết bị này cấu từ theo yêu cầu định trước (C
≥
3)
được tách ra khỏi khí vào, ngoài ra còn có một lượng các hydrocacbon
nhẹ(metan và etan).
Khí khô thoát ta từ đỉnh tháp hấp thụ 1, còn chất hấp thụ bão hòa
hydrocacbon đựơc thoát ra từ đáy tháp. Khí khô đưa đi sử dụng, còn chất
hấp thụ bão hòa được đưavào tháp hấp thụ bốc hơi 2. Người ta tưới chất
hấp thụ đã táI sinh vào đĩa trên cùng của tháp 2 còn đáy tháp thì được gia
nhiệt khi khô được sử dụng làm nhiên liệu. Còn chất hấp thụ bão hòa đã
tách etan được gia nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt 3 và 4. Từ đỉnh tháp

3 ta thu được hỗn hợp propan và hydrocacbon nặng. Phân đoạn
hydrocacbon nặng được ngưng tụ trong thiết bị 7 và đi vào hồi lưu 9 phần
hydrocacbon nặng được quay trở lại tháp nhả hấp thụ 3. Phần còn lại
được đưa đi sản xuất.
Nhiệt cung cấp cho phần dưới tháp nhả hấp thụ do sự tuần hòan các chất
hấp thụ chảy từ đĩa cuối sang thiết bị đun sôi đáy tháp 10. Chất hấp thụ
đã tái sinh từ đáy tháp 3 làm nguội qua thiết bị 4,5 sau đó làm lạnh 6,8
vào tháp hấp thụ 1 và tháp hấp thụ – bốc hơi 2.
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
9
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
II.3.Chế biến khí bằng phương pháp chưng cất
Sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp được thực hiện quá trình tách các cấu từ
định trước hiệu quả hơn sơ đồ hấp thụ nhiệt độ thấp (HNI) và thiết bị chế
tạo cũng đơn giản hơn. Khác nhau về mặt nguyên lý giữa hai sơ đồ CNT
và NTT là ở chỗ nguyên liệu đi vào thiết bị sau khi làm lạnh (không có
sự tách sơ bộ mà được đưa thẳng vào tháp chưng. Tại đó xảy ra sự phân
tích riêng biệt khí nguyên liệu thành khí khô(thoát ra từ đỉnh tháp) và
phân đoạn hydrocacbon nặng .
Phụ thuộc vào sơ đồ nguyên lý của quá trình chưng cất nhiệt độ thấp,
thiết bị cơ bản của sơ đồ là tháp chưng được chia thành chưng bốc hơi và
tháp ngưng tụ – bốc hơi (Hình 2, hình 3 -177)

Với 3 sơ đồ công nghệ chế biến khí nói trên thì ta có một vài nhận xét
sau: Từ những ưu nhược điểm và phạm vi công dụng của mỗi công nghệ
thì phương pháp chế biến khí bằng NNT đem lại hiệu quả cao nhất.
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
10
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ

ở nhiệt độ thấp
Phương pháp này phù hợp với điều kiện chế biến khí đồng hành với năng
suất công nghệ là 5 triệu m
3
/ngày, hệ số tách cấu tử chính là =75%
propan .Mặt khác với phương pháp này mang lại hiệu quả cao đặc biệt
trong tình hình kinh tế của đất nước ta hiện nay thì đây là một công nghệ
chế biến khí đơn giản , và khả thi nhất.
CHƯƠNG III:CƠ SỞ HÓA LÝ CỦA QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ
NHIỆT ĐỘ THẤP
III.1.Khái niệm về quá trình ngưng tụ
Ngưng tụ là quá trình chuyển khí hoặc hơi sang trạng thái lỏng bằng
cách làm lạnh khí hoặc nén làm lạnh khí đồng thời.
Có hai phương pháp để tiến hành quá trình ngưng tụ :
+ Quá trình ngưng tụ gián tiếp: (hay còn gọi là ngưng tụ bề mặt )
tức là quá trình tiến hành trong thiết bị trao đổi nhiệt có tường ngăn cách
giữa khí và tác nhân làm lạnh đi ngược chiều nhau . Tác nhân làm lạnh
cho đi từ dưới lên để tránh dòng đối lưu tự nhiên cản trở quá trình chuyển
động của lưu thể. Khí đi từ trên xuống để chất lỏng ngưng tụ chảy dọc
xuống tự do và dễ dàng.
+Quá trình ngưng tụ trực tiếp (hay còn gọi là ngưng tụ hỗn hợp) Quá
ttrình này tiến hành bằng cách cho khí và tác nhân làm lạnh tiếp xúc trực
tiếp với nhau. Tác nhân làm lạnh được phun trực tiếp vào trong khí sau
đó ngưng tụ lại thành lỏng do vậy thiết bị ngưng tụ trực tiếp thường
không đặt giá trị phân chia cao . Nên chất lỏng ngưng tụ sẽ trộn lẫn với
tác nhân làm lạnh.
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
11
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp

III.2.Đặc điểm của quá trình ngưng tụ
Quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp có thể được coi là quá trình làm
lạnh đẳng áp (nếu ta bỏ qua một vài tổn thất áp suất khi khí chuyển động
trong ống và thiết bị công nghệ) cho tới nhiệt độ tương ứng và áp suất đó
thì xuất hiện pha lỏng.
Khí đồng hành và khí tự nhiên là một hỗn hợp bao gồm nhiều cấu từ
do đó qúa trình chuyển pha và các vùng tới hạn của chúng khác nhau nhiều
so với qúa trình tương ứng với điểm đó là nhiệt độ và áp suất tới hạn. Khi
nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ tới hạn thì chất đó sẽ tồn tại ở trạng thái
một pha. Khi đó dù có thay đổi của bất kì tổ hợp các thông số nào thì cũng
không thể đưa chất đó về trạng thái hai pha được vì vậy muốn hóa lỏng khí
ta chỉ được phép tiến hành nhiêt độ tới hạn.
Ví dụ :
Nhiệt độ tới hạn của CH
4
là Tc = 190,55K nhưng với nhiệt độ môi trường
là T
mt
= 298K thì T
c
< T
mt
. Do đó nếu nén khí ở nhiệt độ môi trường thì
cho dù có tăng áp suất tới 500 atm thì CH
4
cũng không hóa lỏng, khi đó
ta chỉ thu được khí CH
4
nén. Vậy để hóa lỏng CH
4

ta phải hạ nhiệt độ của
CH
4
xuống khoảng 111K (dưới nhiệt độ sôi của CH
4
T
sCH4
= 111,6 K với
áp suất khí quyển .
Điều này có nghĩa là quá trình hóa lỏng một phần hay toàn bộ khí bằng
phương pháp nén chỉ thực hiện được khi hạ nhiệt độ khí đó xuống dưới nhiệt
độ tới hạn.
III.3.Quá trình chuỷên pha của khí đồng hành.
III.3.1 Quá trình chuyển pha đối với khí một cấu tử.
Quá trình chuyền pha đối với hệ khí một cấu tử ta có thể biểu diễn trên
trục tọa độ P-T trong đó trục tung là áp suất và trục hoành là nhiệt độ.
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
12
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
Hình 4 giàn đồ pha hệ một cấu tử
- Đường HD, HC và FH là các đường cân bằng bao gồm tập hợp các
gía trị áp suất, nhiệt độ tại đó có cân bằng pha.
- Điểm H là điểm duy nhất tại nhiệt độ và áp suất xác định đồng thời
tồn tại ba pha nằm cân bằng với nhau. Tại đường cân bằng ở nhiệt độ
và áp suất không đổi hệ có thể chuyển pha bằng cách thêm vào hoặc
bớt năng lượng của hệ.
- Dọc theo đường FH không tồn tại pha lỏng, và pha rắn thăng hoa
thành hơi.
- Đường HC là đường bão hòa hoặc cân bằng giữa hai pha lỏng và hơi.

- Điểm C là điểm tới hạn ứng với nhiệt độ tới hạn T
c
và áp suất tới hạn
P
c
thì tại đó các tính chất của pha lỏng và pha hơi trở thành đồng nhất.
Đối với đơn chất điểm tới hạn được định nghĩa: là điểm mà phía trên
nó pha lỏng không thể tồn tại như một pha độc lập. Hay nói cách khác
phía trên điểm tới hạn khí không thể bị hóa lỏng bằng cách nén áp suất
cao.
- Đường HC thường gọi là đường áp suất hơi hay đường cong điểm
sương và đường cong điểm bọt của đơn chất.
* Xét quá trình pha đấng áp của hệ một cấu tử trên hình 4.
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
13
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
Từ”m”>”n”hệ ở trạng thái rắn.
Từ “o” đến “b”: hệ ở trạng thái lỏng tại “b” hệ ở trạng thái lỏng bão
hòa. Bất kỳ sự cung cấp năng lượng nào cũng làm cho lỏng hóa thành
hơi ở nhiệt độ và áp suất không đổi.
- Tại “d”: hệ ở trạng thái hơi bão hòa, tiếp tục tăng nhiệt độ sẽ nhận
được hơi qúa nhiệt .
III.3.2 Giàn đồ pha hệ nhiều cấu tử
Đối với hệ nhiều cấu tử, vị trí của các đường cong trên giàn đồ
pha phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp và các đường bao pha tạo
thành không phải là một mặt phẳng, mà có chiều dày như hình cái lưỡi
với thành phần là biến số phản ánh chiều dày của đường bao pha. Trên
hình 5 thể hiện giản đồ pha hệ nhiều cấu tử trong đó trục tung là áp suất
và trục hoành là nhiệt độ.

(Hình 5/24 )
* Điểm C là điểm tới hạn, tại đó hai pha trở thành một pha.
* Điểm M là điểm tương ứng với áp suất lớn nhất mà tại đó hỗn hợp nhiều
cấu tử tồn tại ở trạng thái hai pha.
* Điểm N: là điểm tương ứng với áp suất lớn nhất mà tại đố hỗn hợp nhiều
cấu tử tồn tại ở trạng thái hai pha.
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
14
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
Bên trái đường cong điểm bọt hệ tồn tại ở trạng thái lỏng khi bắt đầu chạm
tới đường cong điểm bọt thì hệ khí bắt đầu xuất hiện những bọt khí. Khi
sang đường cong điểm sương thì toàn bộ hỗn hợp khí trở thành hơi từ đường
cong điểm bọt và đường cong điểm sương là miền mà tồn tại cân bằng giữa
hai pha lỏng và hơi.
+Đường ABDE: biểu diễn quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt suy biến điển
hình trong các mỏ khí condensate. Điểm A biểu diễn pha lỏng chặt nằm bên
ngoài đường bao pha khi giảm áp suất tới điểm B bắt đầu quá trình 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)

Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
15
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
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: H
2
O, CO
2
,H
2
S,N
2
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 .
+ H
2
S, CO
2
làm giảm điểm áp suất cực đại tồn tại lỏng hơi của hỗn hợp
khí.
+ N
2
: 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 :

i
i
i
y
k
x
=

Trong đó :
i
y
: là phần mol của cấu tử i trong pha hơi.

i
x
: là phần mol của cấu tử I trong pha lỏng.
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
16
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
Xét cân bằng vật liệu của tháp:

G: là phần mol của cấu tử i trong nguyên liệu vào tháp tách.
i
y
: là phần mol cấu tử i trong pha hơi.

i
x
: là phần mol cấu tử i trong pha lỏng.
i
k
: 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.
i
y
+L.
i
x
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:CH
4
, C
2
H
6

…Do vậy tương ứng sẽ có các nhiệt độ ngưng tụ khác
nhau, do đó quá trình làm lạnh sẽ xảy ra như saucoi 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 C
6
H
14
trong ống dẫn khí có thể
ngưng tụ hoàn toàn khi làm lạnh đến 10
o
C với P = 2MPa. Mặc dù nhiệt độ
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
17
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
tới hạn của CH
4
là T
c
= -82,6
o

C. 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.
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
18
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
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 C
2
và phân đoạn cao thì sau tháp khử metan ta có thêm tháp tách etan
(C
2
H
6
) 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.
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
19
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ

ở nhiệt độ thấp
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
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
20
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
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
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
21
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
Nhóm II: có
Sự kết hợp
với giãn nỏ
khí
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
22
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
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
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội

23
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
+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
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội

24
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ
ở nhiệt độ thấp
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
3
C
≥
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
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng Đại Học Bách khoa Hà Nội
25