Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng tụ ở nhiệt độ thấp

Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ
ở nhiệt độ thấp

Mở Đầu
Ngành dầu khí nớc tuy là một ngành mới hình thành và phát triển đợc
hơn 20 năm nhng đã có những đóng góp ngày càng to lớn về nhiều mặt cho
sự phát triển của đất nớc. 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 nớc ta hiện nay đã triển khai xây dựng nhiều chơng 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 ngời ta đã sản xuất ra nhiều sản phẩm khác nhau nh: rợu, axeton,
andehyt, NH3, chất dẻo sợi, phân bón, dầu nhờn, chất tẩy rửa tổng hợp và
là nguồn nguyên liệu cho các ngành nh: mỹ phẩm, công nghiệp, in, dệt
mayphục 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 t và phát triển công nghiệp ngành
công nghiệp mũi nhọn này là một đi đúng hớng của đảng và nhà nớc ta nhằm
thúc đẩy kinh tế và cải thiện đời sống nhân dân.
Trong phạm vi đồ án này ta chỉ nghiên cứu phơng pháp chế biến khí
bằng phơng pháp ngng tụ nhiệt độ thấp vì phơng pháp này vừa đơn giản mà
cho hiệu quả cao, và có tính khả thi nhất.

Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

1

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng 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 ngng tụ nhiệt độ thấp.
- Tổng quan về công nghệ.
Phần III: Tính toán thiết kế.
- Cân bằng vật chất.
- Cân bằng nhiệt lợng.
Phần IV: Thiết kế công nghệ.
Phần V: Kết luận.

Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

2

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

CHơng I:

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ
ở nhiệt độ thấp
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 đợc 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 dới mặt đất. Khí đồng hành đợc 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 lợng 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 2O, H2S và các hợp chất chứa lu
huỳnh CO2, N2, và Heli.
Ngời ta còn tiến hành phân loại khí dựa vào hàm lợng các
hydrocacbon từ propan trở lên. Trong đó khí chứa trên 150g/m 3 các cấu từ
propanbutan và các hydrocacbon nặng đợc gọi là khí béo. Khí này đợc ứng
dụng chế tạo xăng khí, khí hóa lỏng (LPG) và nguồn hydrocacbon cho công
nghệ tổng hợp hữu cơ. Còn khí chứa dới mức 50g/m3 các hydrocacbon nặng
đợc 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 ngời ta đã phát hiện đợc rất nhiều mỏ khí và trữ
lợng khí hàng năm đạt đợc khoảng 1300 tỷ m3 khí .Dới đây là một số mỏ khí
của Việt Nam.

Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

3

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ
ở nhiệt độ thấp
ảng1: Thành phần khí ở bể Cửu Long.

Mỏ Bạch Hổ
Metan(C1)
Etan (C2)
Propan(C3)
Butan(C4)
Condensat
N2
CO2
H2S

76,82
11,87
5,980
1,040
0,320
0,500
1,000

-

Rồng(lô 09)
khí tự do
đồng hành
84,77
76,54
7,220
6,890
3,460
8,250
1,700
0,780
1,300
0,500
-

77,62
10,04
5,940
2,830
0,970
0,330
0,420
-

78,02
10,67
6,700
1,740

0,380
0,600
0,070
-

Bảng2: Thành phần khí ở Bể Nam Côn Sơn(% theo thể tích)
Mỏ
Thành

Đại

Lan Tây

Lan Đỏ

Rồng

Hải

Mộc

Hùng

(06-1)

(06-1)

Đôi

Thạch

Tinh

93,9
2,30
0,50
0,10
0,20
1,60
1,2
Cha đo

(11-2)
81,41
5,250
3,060
1,470
0,550
0,080
5,640
0,000

(05-2)
81,00
5.200
2,800
1,500
4,700
0,110
4,400

-

(05-3)
89,44
3,800
1,480
0,710
0,540
0,150
3,880
-

phần
(05-!a)
Metan(C1)
77,25
Etan(C2)
9,490
Propan(C3) 3,380
Butan(C4)
1,340
Condensat 0,480
N2
4,500
CO2
H2S
-

88,5
4,30

2,40
0,60
1,40
0,30
1,90
10,0

I.2.Tình hình chế biến và sản xuất khí tự nhiên và khí đồng

hành trên thế giới và ở Việt Nam
Trớc đây trên thế giới nguồn khí thu đợc thờng bị đốt bỏ hoặc chờ đợc sử
dụng nh là một nhiên liệu để đốt .Điều này gây ra sự lãng phí vừa làm ảnh
hởng nghiêm trọng đến môi trờng 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

Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

4

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ
ở nhiệt độ thấp

hành ta còn thu đợc các chất hydrocacbon và phi hydrocacbon làm nguyên
liệu cho các ngành công nghiệp khác . Do vậy trong những năm gần đây rất
nhiều nớc trên thế giới đặc biệt là những nớc phát triển đã đầu t và phát triển

ngành công nghiệp chế biến khí cụ thể
ở Nga và các nớc 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 đợc dùng làm nhiên liệu cho lò nung và nồi hơi. Ngoài ra
etan , propan ,butan và các hydrocacbon nặng còn đợc 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 ngời ta còn nhận đợc một lợng lớn lu 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 nớc 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 nớc Tây âu, sau khi tìm ra các mỏ khí tự nhiên lớn đã tăng cờng sự
quan tâm đến các nguyên liệu nhiệt phân nhẹ .
Trong những năm gần đây các nớc Trung đông (Iran, Arapxeut, Beren...)
dự định hoàn thành chơng trình về khai thác , chế biến và vận chuyển khí
đồng hành với tổng giá trị khoảng 33 tỉ USD . Ngời ta nghĩ rằng điều này cho
phép xuất khẩu khoảng 46 triệu tấn PLG mỗi năm.
Riêng ở Việt Nam ngành dầu khí nớc ta tuy mới hình thành và phát triển
nhng 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:
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

5

Đại Học Bách khoa Hà Nội

Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ
ở nhiệt độ thấp

Cụm mỏ thứ nhất : nằm ở vùng đồng bằng Bắc Bộ gồm nhiều mỏ
khí nhỏ , trong đó có Tiền Hải C, trữ lợng khoảng 250 m3/khí , đã bắt đầu
khai thác từ tháng 12 năm 1981với trên 450 triệu m 3/khí phục vụ cho công
nghiệp địa phơng 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 lợng 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 đa vào khai thác .
. Cụm mỏ thứ t : tại thềm lục địa Tây Nam bao gồm mỏ Bungakclwa
-Các nớc đang khai thác dầu mỏ BungaOrkid, Bunga parkma, Bunga Rây tại
khu vực thỏa thuận thơng 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 .
Với tiềm năng về khí khá phong phú nh 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 đa đất nớc ta lên một tầm cao mới.

Chơng II: Các phơng pháp chế biến khí tự nhiên và
khí đồng hành

II.1.Phơng pháp chế biến khí bằng phơng pháp ngng tụ
Tiến hành chế biến khí bằng phơng pháp ngng tụ ở nhiệt độ thấp từ

Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

6

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ
ở nhiệt độ thấp

-25oC - -35oC áp suất cao 3,0 4,0 Mpa. Đây đợc coi là phơng 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 đợc nén bằng máy nén khí sau
đó đợc làm lạnh và đa vào thiết bị sấy khí để tách ẩm rồi đợc đa qua thiết bị
trao đổi nhiệt và làm nguội sau đó khí đợc đa đến thiết bị ngng tụ nhiệt độ
thấp. Tại đó , khí đợc nén và làm lạnh tới nhiệt độ âm cần thiết tiếp theo hỗn
hợp khí đợc đa sang bộ phân tách khí lúc này một phần hydrocacbon đã ngng
tụ đợc tách ra.
Sau khi đợc nén và làm lạnh thì hỗn hợp khí bằng hai phần:
+ Phần ngng tụ (gọi là condesat) của bậc nén và làm lạnh.Khí đồng hành
đợc bơm từ thùng chứa qua bộ phận trao đổi nhiệt sang cột tách etan. Tại đó
phân đoạn chứa metan và etan đợc tách ra. Sau đó benzin lá phần ngng tụ đã
tách metan và etan qua thiết bị trao đổi nhiệt vào bình chứa, từ đó nó đợc đa
đị chế biến tiếp.
Phơng pháp ngng tụ nhiệt độ thấp để tách bezin từ khí đồng hành là phơng pháp rất tốn kém, để thực hiện đợc cần có thiết bị làm lạnh phức tạp.

Tuy nhiên do sơ đồ công nghệ tơng đối đơn giản, mà hiệu quả tách benzin ra
khỏi hỗn hợp khí khá cao, triệt để nên phơng pháp này đợc ứng dụng rộng rãi
trong công nghiệp chế biến khí.

II.2. Chế biến khí bằng phơng pháp hấp thụ
Ngoài chế biến khí bằng phơng pháp ngng tụ thì ngời ta còn áp dụng
phơng pháp hấp thụ để chế biến khí. Trong đó hấp thụ và giải hấp thụ là hai
quá trình chuyển biến khối cơ bản đợc sử dụng để tách khí thiên nhiên và khí
đồng hành.
Quá trình này đợc 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,
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

7

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ
ở nhiệt độ thấp

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 ngợc lại thì sẽ xảy ra quá trình hầp thụ và nhả hấp thụ đợc thực hiện
trong các tháp hấp thụ và các tháp chng luyện có cấu tạo kiểu tháp đĩa hoặc
tháp đệm, chất hấp thụ đợc dùng ở đây là các phân đoạn benzin kerosene,
hoặc hỗn hợp của chúng.
(Hình1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị hấp thụ /156)

*Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ:
Khí nguyên liệu sau khi đợc làm sạch khí các giọt lỏng và các tạp chất
cơ học , đựơc nén , sấy đến điểm sơng cần thiết, và đa vào đĩa cuối cùng
của tháp hấp thụ 1 . Chất hấp thụ đựơc tái sinh đợc tới lên đĩa trên
cùng.Trong thiết bị này cấu từ theo yêu cầu định trớc (C 3) đợc tách ra

Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

8

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ
ở nhiệt độ thấp

khỏi khí vào, ngoài ra còn có một lợng 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 đa đi sử dụng, còn chất
hấp thụ bão hòa đợc đavào tháp hấp thụ bốc hơi 2. Ngời ta tới chất hấp
thụ đã táI sinh vào đĩa trên cùng của tháp 2 còn đáy tháp thì đợc gia nhiệt

khi khô đợc sử dụng làm nhiên liệu. Còn chất hấp thụ bão hòa đã tách
etan đợc gia nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt 3 và 4. Từ đỉnh tháp 3 ta thu
đợc hỗn hợp propan và hydrocacbon nặng. Phân đoạn hydrocacbon nặng
đợc ngng tụ trong thiết bị 7 và đi vào hồi lu 9 phần hydrocacbon nặng đợc
quay trở lại tháp nhả hấp thụ 3. Phần còn lại đợc đa đi sản xuất.
Nhiệt cung cấp cho phần dới 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.

II.3.Chế biến khí bằng phơng pháp chng cất
Sơ đồ chng cất nhiệt độ thấp đợc thực hiện quá trình tách các cấu từ
định trớc 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 đợc đa thẳng vào tháp chng. 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 chng cất nhiệt độ thấp, thiết
bị cơ bản của sơ đồ là tháp chng đợc chia thành chng bốc hơi và tháp ngng tụ bốc hơi (Hình 2, hình 3 -177)
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

9

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ

ở nhiệt độ thấp

Với 3 sơ đồ công nghệ chế biến khí nói trên thì ta có một vài nhận xét
sau: Từ những u nhợc điểm và phạm vi công dụng của mỗi công nghệ thì
phơng pháp chế biến khí bằng NNT đem lại hiệu quả cao nhất. Phơng
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 phơng pháp này mang lại hiệu quả cao đặc biệt trong tình
hình kinh tế của đất nớc ta hiện nay thì đây là một công nghệ chế biến khí
đơn giản , và khả thi nhất.

Chơng III:Cơ sở hóa lý của quá trình ngng tụ nhiệt
độ thấp

III.1.Khái niệm về quá trình ngng tụ

Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

10

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ
ở nhiệt độ thấp

Ngng 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 phơng pháp để tiến hành quá trình ngng tụ :
+ Quá trình ngng tụ gián tiếp: (hay còn gọi là ngng tụ bề mặt )
tức là quá trình tiến hành trong thiết bị trao đổi nhiệt có tờng ngăn cách
giữa khí và tác nhân làm lạnh đi ngợc chiều nhau . Tác nhân làm lạnh cho
đi từ dới lên để tránh dòng đối lu tự nhiên cản trở quá trình chuyển động
của lu thể. Khí đi từ trên xuống để chất lỏng ngng tụ chảy dọc xuống tự
do và dễ dàng.
+Quá trình ngng tụ trực tiếp (hay còn gọi là ngng 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 đợc phun trực tiếp vào trong khí sau đó ngng tụ lại thành lỏng do vậy thiết bị ngng tụ trực tiếp thờng không đặt giá
trị phân chia cao . Nên chất lỏng ngng tụ sẽ trộn lẫn với tác nhân làm
lạnh.

III.2.Đặc điểm của quá trình ngng tụ
Quá trình ngng tụ nhiệt độ thấp có thể đợc 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 tơng 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 tơng 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 đa chất đó về trạng thái hai pha đợc vì vậy muốn hóa lỏng khí ta chỉ đợc
phép tiến hành nhiêt độ tới hạn.
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

11

Đại Học Bách khoa Hà Nội

Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ
ở nhiệt độ thấp

Ví dụ :
Nhiệt độ tới hạn của CH4 là Tc = 190,55K nhng với nhiệt độ môi trờng là
Tmt = 298K thì Tc < Tmt. Do đó nếu nén khí ở nhiệt độ môi trờng thì cho dù
có tăng áp suất tới 500 atm thì CH 4 cũng không hóa lỏng, khi đó ta chỉ
thu đợc khí CH4 nén. Vậy để hóa lỏng CH 4ta phải hạ nhiệt độ của CH 4
xuống khoảng 111K (dới nhiệt độ sôi của CH4 TsCH4 = 111,6 K với áp suất
khí quyển .
Điều này có nghĩa là quá trình hóa lỏng một phần hay toàn bộ khí bằng
phơng pháp nén chỉ thực hiện đợc khi hạ nhiệt độ khí đó xuống dới 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.
Hình 4 giàn đồ pha hệ một cấu tử

- Đờng HD, HC và FH là các đờng 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 đờng cân bằng ở nhiệt độ

Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

12

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ
ở nhiệt độ thấp

và áp suất không đổi hệ có thể chuyển pha bằng cách thêm vào hoặc
bớt năng lợng của hệ.
- Dọc theo đờng FH không tồn tại pha lỏng, và pha rắn thăng hoa thành
hơi.
- Đờng HC là đờng 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
Pc thì tại đó các tính chất của pha lỏng và pha hơi trở thành đồng nhất.
Đối với đơn chất điểm tới hạn đợc định nghĩa: là điểm mà phía trên nó
pha lỏng không thể tồn tại nh 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.
- Đờng HC thờng gọi là đờng áp suất hơi hay đờng cong điểm sơng và đờng cong điểm bọt của đơn chất.
* Xét quá trình pha đấng áp của hệ một cấu tử trên hình 4.
Từm>nhệ 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 lợng 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 đợc
hơi qúa nhiệt .
III.3.2 Giàn đồ pha hệ nhiều cấu tử

Đối với hệ nhiều cấu tử, vị trí của các đờng cong trên giàn đồ
pha phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp và các đờng bao pha tạo
thành không phải là một mặt phẳng, mà có chiều dày nh hình cái lỡi với
thành phần là biến số phản ánh chiều dày của đờng 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 )
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

13

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ
ở nhiệt độ thấp

* Điểm C là điểm tới hạn, tại đó hai pha trở thành một pha.
* Điểm M là điểm tơng 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 tơng ứng với áp suất lớn nhất mà tại đố hỗn hợp nhiều cấu
tử tồn tại ở trạng thái hai pha.
Bên trái đờng cong điểm bọt hệ tồn tại ở trạng thái lỏng khi bắt đầu chạm tới
đờng cong điểm bọt thì hệ khí bắt đầu xuất hiện những bọt khí. Khi sang đờng cong điểm sơng thì toàn bộ hỗn hợp khí trở thành hơi từ đờng cong điểm
bọt và đờng cong điểm sơng là miền mà tồn tại cân bằng giữa hai pha lỏng
và hơi.
+Đờng ABDE: biểu diễn quá trình ngng tụ đẳng nhiệt suy biến điển
hình trong các mỏ khí condensate. Điểm A biểu diễn pha lỏng chặt nằm bên

ngoài đờng bao pha khi giảm áp suất tới điểm B bắt đầu quá trình ngng tụ.
Tiếp tục giảm áp suất lợng lỏng hình thành nhiều hơn từ điểm A đến D
nằm trong miền suy biến đợc tạo bởi các điểm thay đổi độ dốc của các đờng
pha.
+ Khi tiếp tục giảm áp suất ra khỏi miền suy biến đi từ D tới E thì lợng lỏng giảm dần cho tới khi đạt điểm sơng (E) phía dới điểm E hệ không
tồn tại ở trạng thái lỏng chỉ tồn tại ở trạng thái hơi.

Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

14

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ
ở nhiệt độ thấp

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 hởng đến sự thay đổi hớng
của các đờng lỏng hơi bên trong đờng 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)

Trên hình 7 là giản đồ của hệ bậc hai metan propan cho thấy ảnh hởng
của thành phần đến hình dáng vị trí của đờng bao pha thì đờng cong
ngoài cùng là các đờng áp suất hơi của metan propan bắt đầu từ điểm tới
hạn ba đờng bao pha còn lại là của ba hỗn hợp có tỷ lệ thành phần metan
propan khác nhau đợc gọi là quỹ tích tới hạn .

Nh vậy vị trí tới hạn trên mỗi đờng bao pha thay đổi theo thành phần
của hỗn hợp các hydrocacbon.
Ngoài ra các tạp chất nh phi hydrocacbon nh: H2O, CO2,H2S,N2 cũng
có những ảnh hởng đáng kể đến đờng bao pha của hỗn hợp khí trong
điều kiện nhiệt độ cao và áp suất thấp .
+ H2S, CO2 làm giảm điểm áp suất cực đại tồn tại lỏng hơi của hỗn hợp
khí.
+ N2: Làm tăng điểm áp suất cực trị , tồn tại lỏng hơI hỗn hợp khí và
giảm khả năng trộn lẫn.
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

15

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ
ở nhiệt độ thấp

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 ngợc lại, tốc độ bay và tốc độ ngng tụ là bằng nhau.
Đại lợng đặc trng cho sự phân bố của các cấu tử giữa các pha ở điều
kiện cân bằng là hằng số cân bằng pha K đợc xác định bằng phơng
trình :
ki =

yi
xi

Trong đó : yi : là phần mol của cấu tử i trong pha hơi.
xi : là phần mol của cấu tử I trong pha lỏng.

Xét cân bằng vật liệu của tháp:
G: là phần mol của cấu tử i trong nguyên liệu vào tháp tách.
yi : là phần mol cấu tử i trong pha hơi.
xi : là phần mol cấu tử i trong pha lỏng.
ki : 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: phơng trình cân bằng vật liệu của tháp :
F= V+L
Với cấu tử một nào đó:

F.G=V. yi +L. xi

III.5. Quá trình ngng tụ nhiệt độ thấp trong chế biến khí đồng hành
Trong hỗn hợp khí đồng hành có thành phần các hydrocacbon khác nhau
nh:CH4, C2H6Do vậy tơng ứng sẽ có các nhiệt độ ngng tụ khác nhau, do đó
quá trình làm lạnh sẽ xảy ra nh saucoi lai)

Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

16

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ
ở nhiệt độ thấp

+ Khi giảm nhiệt độ của hỗn hợp khí thì đến một lúc nào đó của hỗn hợp
khí sẽ bắt đầu ngng tụ(tơng ứng với áp suất riêng phần trong hỗn hợp khí)
lớn nhất. Nếu nh các cấu tử đợc phân bố đều trong hỗn hợp ban đầu. Thì các
cấu tử có nhiệt độ ngng tụ lớn nhất sẽ ngng 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 C6H14 trong ống dẫn khí có thể ngng
tụ hoàn toàn khi làm lạnh đến 10oC với P = 2MPa. Mặc dù nhiệt độ tới hạn
của CH4 là Tc = -82,6oC. Nhng khi có mặt propan nó vẫn chuyển sang pha
khí.
Trong quá trình ngng tụ nhiệt độ thấp , quá trình làm lạnh khí chỉ diễn
ra tới khi đạt đợc mức độ ngng tụ định mức của pha hơi (trong hỗn hợp khí
ban đầu) đợc xác định bằng mức độ tách cần thiết các cấu tử chủ yếu ra khỏi
hỗn hợp . Điều này đạt đợc 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 đợc bằng cách cung cấp cho quá trình một lợng nhiệt lạnh cần thiết.
-Cùng một mức độ ngng tụ ( của hỗn hợp khí ban đầu ) có thể đạt đợc
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 ngng tụ
nhiệt độ không đổi sẽ tăng lên và quá trình này cũng sẽ xảy ra tơng tự làm

lạnh đẳng áp .
- Mức độ ngng tụ các hydrocacbon khi tiến hành trong quá trình đẳng áp và
trong quá trình đẳng nhiệt. Tuy nhiên, qúa trình ngng tụ của hai trờng hợp
này lại khác nhau. Cụ thể trờng hợp đẳng nhiệt thì mức độ ngng tụ tăng nhng

Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

17

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ
ở nhiệt độ thấp

sự phân tách các cấu tử hydrocacbon kém. Ngợc lại đối với quá trình đẳng
áp.
Vậy: Việc lựa chọn các thông số tối u cho quá trình ngng 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 trớc là rất quan trọng.

Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

18

Đại Học Bách khoa Hà Nội

Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ
ở nhiệt độ thấp

Chơng IV: Tổng quan về công nghệ chế biến bằng phơng pháp ngng tụ nhiệt độ thấp.

IV.1.Các thiết bị chính có trong qúa trình chế biến bằng phơng hip
ngng tụ nhiệt độ thấp.
Nhìn chung sơ đồ công nghệ trong các quá trình chế biến khí theo phơng
pháp ngng tụ nhiệt độ thấp rất đa dạng và phong phú. Theo mỗi một phơng
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 nh sau:
+ Bộ phận lọc khí nó có tác dụng: để tách các giọt lỏng và những tạp chất
cơ học. Trớc khi khí đợc đa vào chế biến, thiết bị này hoạt động theo nguyên
tắc nh: cơ học , hóa học hay điện trờng.
+ Thiết bị sấy khí và tách ẩm: ở thiết bị này có tác dụng tách lợng ẩm có
trong khí. Nguyên nhân hơi nớc có thể bị ngng 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 nh: hấp thụ, hấp phụ
+ Hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt tuần hoàn: Thiết bị này có tác dụng tận
dụng đợc 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 nh sơ đồ Ngng tụ nhiệt độ thấp (NNT) đợc dùng với mục đích thu đợc
C2 và phân đoạn cao thì sau tháp khử metan ta có thêm tháp tách etan (C 2H6)
thơng 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

19

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ
ở nhiệt độ thấp

Để chế biến khí theo phơng pháp ngng 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 đa SP ra

Bậc

1

Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

Bậc
2

20

Bậc
3

Chu trình
LL ngoài

Chu trình
LL trong

Đại Học Bách khoa Hà Nội


§å ¸n M«n häc

ThiÕt kÕ d©y chuyÒn c«ng nghÖ chÕ biÕn khÝ b»ng ngng tô
ë nhiÖt ®é thÊp

Chu tr×nh LL
Tæ hîp

Mét t¸c

nh©n lµm
L¹nh

Sinh viªn: NguyÔn Nam Th¾ng

T¸c nh©n
Lµm l¹nh
tæ hîp

21

NhiÒu t¸c
nh©n lµm
l¹nh

Nhãm I:
cã sù kÕt
hîp víi
TL láng

§¹i Häc B¸ch khoa Hµ Néi


Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ
ở nhiệt độ thấp

Nhóm II: có
Sự kết hợp

với giãn nỏ
khí

Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

22

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng 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

23

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng 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 ngng 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 phơng pháp ngng tụ nhiệt
độ thấp.
Trong công nghệ chế biến khí bằng phơng pháp ngng tụ nhiệt độ
thấp.Dựa vạo số bậc tách, kiểu nguồn lạnh và cách đa 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 u, nhợc điểm và phạm vi ứng dụng khác nhau.
Để hiểu hơn ta đi xét một số sơ đồ công nghệ chế biến khí bằng phơng
pháp ngng tụ nhiệt độ thấp.
IV.3.1.a Sơ đồ ngng 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 đợc 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

làm lạnh bậc thang. Đây là sơ đồ công nghệ đợc ứng dụng một cách rộng rãi.
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

24

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngng tụ
ở nhiệt độ thấp

a)Sơ đồ NNT một bậc để nhận C3 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 đợc 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 đợc làm lạnh đến nhiệt độ-60C. Hỗn hợp 2 pha tạo thành
đợc tách ở tháp tách 10. Khí khô sau khi truyền nhiệt lạnh ở thiết bị 6 và đ ợc
dẫn vào giữa tháp tách etan 11. Sau khi tách từ tháp tách etan 11 khí sau khi
truyền lạnh trong thiết bị 3 đợc đa đi sử dụng, phân đoạn chứa các
hydrocacbon đợc tháo ra ở đáy tháp 11 sau khi truyền nhiệt trong thiết bị 9.
Một phần condesat từ tháp phân tích 10 có thể đợc đa đi để tạo hỗn
hợp tác nhân làm lạnh. Nó đợc gia nhiệt trong thiết bị 9 bằng sản phẩm của
tháp 11 đến 20oC 45oC Một phần đợc bay hơi và tách khí trong tháp tách
Sinh viên: Nguyễn Nam Thắng

25

Đại Học Bách khoa Hà Nội