Đồ án chưng cất nhiệt độ thấp

Đồ án chuyên nghành

chưng cất nhiệt độ thấp
MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU .........................................................................................................2
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ..................................................................................3
I, Giới thiệu chung về khí tự nhiên và khí đồng hành...........................................3
1, Thành phần và tính chất chung của khí tự nhiên và khí đồng hành.......................3
2, Lịch sử phát triên của khí tự nhiên.........................................................................4
II,Các phương pháp chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành..............................6
1, Chuẩn bị để chế biến .............................................................................................6
2, Phương pháp chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ...................................... .8
3, Chế biến khí bằng phương pháp hấp thụ................................................................9
4, Chế biến khí bằng phương pháp chưng cất ...........................................................9
III,Cơ sở hóa lý của quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp........................................10
1, Khái niệm về quá trình chưng cất........................................................................ .10
2, Sơ đồ chưng cất chung nhà máy............................................................................12
IV,Các công nghệ chưng cất ở nhiệt độ thấp........................................................13
1,Tháp chưng- bốc hơi...............................................................................................13
2, Tháp chưng- ngưng tụ............................................................................................14
3, CNT có 2 đường đưa nguyên liệu vào tháp...........................................................15
4, CNT có tua bin giãn nở khí....................................................................................16
V, Các thiết bị chính.................................................................................................17
1, Thiết bị nén.............................................................................................................18
2, Thiết bị phân tách lỏng hơi.....................................................................................18
3, Tháp chưng cất........................................................................................................20
VI, Phân tích lựa chọn công nghệ...........................................................................24
TÍNH TOÁN..............................................................................................................27
1, Phân tích lựa chọn nguyên liệu..............................................................................27
2, Mô phỏng bằng phần mềm hysys 7.3.....................................................................27

3, Kết quả tính toán.....................................................................................................30
KẾT LUẬN.................................................................................................................36
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................37

Vũ Văn Quảng- KTHH2-K57

Page 1


Đồ án chuyên nghành

chưng cất nhiệt độ thấp
LỜI MỞ ĐẦU

Ngành dầu khí Việt Nam là một ngành mới phát triển được hơn 20 năm nhưng đã
chiếm một phần quan trọng trong sự phát triển của đất nước. Đặc biệt là ngành
công nghiệp chế biến dầu khí. Đây là một trong những tiền đề cơ bản để phát triển
các ngành công nghiệp quan trọng của đất nước.
Cùng với quá trình khai thác và chế biến dầu thô, thì ngành công nghiệp chế biến
khí hiện đang phát triển mạnh mẽ. Sản phẩm của các nhà máy chế biến khí của Việt
Nam hiện nay là khí khô thương phẩm, LPG và condensate. Trong đó có hai loại sản
phẩm LPG và Condensate đã được tận dụng triệt để mang lại hiệu quả kinh tế mang
lại hiệu quả kinh tế cho quốc gia.
Sản phẩm khí khô thương phẩm mà thành phần chủ yếu là khí metan và etan,
phần lớn được dùng làm nhiên liệu cho các nhà máy điện, chiếm 85 – 90% sản lượng
khí, có giá trị kinh tế thấp. Trong khi đó, lượng khí dùng làm nguyên liệu cho các
nhà máy đạm Cà Mau và đạm Phú Mỹ, chỉ chiếm 6% .
Cùng với sự phát triển khoa học kĩ thuật, từ khí tự nhiên và khí đồng hành người
ta đã sản xuất ra nhiều sản phẩm khác nhau như: rượu, axeton, NH3, phân bón, chất
tẩy rửa tổng hợp… được ứng dụng trong nhiều ngành như: mỹ phẩm, dệt may, đồ

gia dụng… phục vụ cho công nghiệp và đời sống 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 chưng cất nhiệt độ thấp, vì phương pháp này vừa đơn giản mà cho hiệu
quả cao, tiết kiệm năng lượng, và có tính khả thi tại Việt Nam.
PHẦN I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
Vũ Văn Quảng- KTHH2-K57

Page 2


Đồ án chuyên nghành

chưng cất nhiệt độ thấp

I, Giới thiệu chung về khí tự nhiên và khí đồng hành
1, Thành phần và tính chất chung của khí tự nhiên và khí đồng hành(1)
Những cấu tử cơ bản của khí tự nhiên và khí đồng hành là: metan, etan ,
propan, butan (normal và izo).
Khí tự nhiên được khai thác từ các mỏ khí,còn khí đồng hành được khai thác
từ các mỏ dầu đồng thời với quá trình khai thác dầu mỏ.Trong khí tự nhiên
thành phần chủ yếu là metan (chiếm đến 98% thể tích). Các mỏ khí tự nhiên là
các túi khí nằm sâu dưới mặt đất.
Khí đồng hành nhận được từ các mỏ dầu cùng với quá trình khai thác dầu
mỏ. Trong thành phần của khí đồng hành ngoài cấu tử chính là metan còn có
etan, propan, butan và các hydrocacbon nặng với hàm lượng đáng kể. Thành
phần những cấu tử cơ bản trong khí thay đổi trong phạm vi khá rộng tùy theo

mỏ dầu khai thác.
Ngoài ra trong thành phần khí tự nhiên và khí đồng hành còn có H2O,
H2S, cùng các hợp chất chứa lưu huỳnh, S, N2 và heli.
Người ta còn phân loại khí theo hàm lượng hydrocacbon từ propan trở
lên. Khí giàu propan, butan và các hydrocacbon nặng (trên 150g/m3) được gọi là
khí béo (khí dầu). Từ khí này người ta chế xăng khí, khí hóa lỏng LPG và các
hydrocacbon cho công nghệ tổng hợp hữu cơ. Còn khí chứa ít hydrocacbon nặng
(từ propan trở lên, dưới mức 50g/m3) gọi là khí khô (khí gầy), được sử dụng
làm nhiên liệu cho công nghiệp và đời sống, làm nguyên liệu cho công nghệ tổng
hợp hữu cơ, nguyên liệu cho sản xuất phân đạm, sản xuất etylen, axetylen,
etanol…
Trữ lượng khí nước ta có thể phát hiện ước tính vào khoảng 1.300 tỷ m3
khối khí. Trữ lượng này phân bố trên toàn lãnh thổ nhưng chủ yếu là ở các bể
Nam Côn Sơn, Sông Hồng, Ma Lay – Thổ Chu.
Mỏ
Thành
phần

Vũ Văn Quảng- KTHH2-K57

Bạch Hổ
(lô 09)

Rồng (lô 09)
Khí
tự do

Rạng đông
(lô 09)

Khí
đồng hành

Page 3

Ruby
(lô 09)


Đồ án chuyên nghành
76,82
11,87
5,98
1,04
0,32
0,50
1,00
-

Metal C1
Etan C2
Propan C3
Butan C4
Condensat C5+
N2
CO2
H2 S

chưng cất nhiệt độ thấp
84,77

7,22
3,46
1,70
1,30
-

76,54
6,89
8,25
0,78
0,50
-

77,62
10,04
5,94
2,83
0,97
0,33
0,42
-

78,02
10,67
6,70
1,74
0,38
0,60
0,07
-

Bảng 1.1(1-14): Thành phần khí ở bể Cửu Long (% theo thể tích)

Mỏ
Thành
phần
Metal C1
Etan C2
Propan C3
Butan C4
Condensat C5+
N2
CO2
H2 S
Heli

Hugoton

Austin

Deep Lake

Carthage

Earth

71,51
7,0
4,4
0,99

0,02
15,50
0,58

79,74
9,10
2,80
0,50
0,16
7,30
0,4

98,5
0,87
0,17
0,06
0,10
0,30
-

90,06
4,05
1,51
1,11
0,74
1,83
0,70
-

92,76

3,03
1,36
0,80
1,64
0,41
-

Bảng 1.2(1-14): Thành phần khí ở một số bể nước Mỹ

2, Lịch sử phát triên của khí tự nhiên
Khí tự nhiên đã được phát hiện từ thời cổ đại ở Trung Đông. Hàng ngàn năm
trước, nó được chú ý đến khi xuất hiện ngọn lửa cháy mãi không tắt do sét đánh tại
những nơi khí rò rỉ. Tại Persia, Hy Lạp và Ấn Độ, họ đã xây dựng những đền thời
xung quanh những nơi đó để phục vụ tôn giáo.Tuy nhiên, giá trị về năng lượng

Vũ Văn Quảng- KTHH2-K57

Page 4


Đồ án chuyên nghành

chưng cất nhiệt độ thấp

suốt thế kỉ 19, khí tự nhiên hầu hết chỉ được dùng để chiếu sáng tại chỗ do khó
khăn trong việc vận chuyển đường dài.
Đến năm 1890 với sự phát minh chống rò rỉ khớp ống nối đã dẫn đến sự
thay
đổi quan trọng. Nhưng phải đến tận những năm 1920, cùng với sự phát triển
của công nghệ đường ống, vận chuyển khí tự nhiên đường dài mới được đưa

vào thực tế. Tuy nhiên, chỉ sau Chiến tranh Thế giới thứ II thì khí thiên
nhiên mới phát triển mạnh mẽ do sự tiến bộ trong hệ bồn chứa và vận chuyển
khí.
Nước Nga là nước có trữ lưỡng khí lớn nhất thế giới, chiếm khoảng 23,9%.
Cho đến năm 2010, tổng sản lượng khí đạt khoảng 588,9 tỉ m3 khí. Trong đó
khoản 1/3 dùng để xuất khẩu sang châu Âu và các nước SNg. Nguồn lợi thu từ
việc xuất khẩu dầu và khí vô cùng to lớn khi chiếm đến 25% GDP của nước Nga.
Ở Mỹ, khí đốt có vai trò cực kì quan trọng khi chiếm 23% tổng năng lượng sử
dụng. 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... không
được chú ý cho đến tận những năm 900 TCN, người Trung Quốc đã khoan
giếng khí tự nhiên đầu tiên vào năm 211TCN.
Tại Châu Âu, khí tự nhiên không được biết đến cho đến khi được phát hiện
tại Anh vào năm 1659, mặc dù đến tận 1790 nó mới được thương mại hóa. Năm
182 tại Fredonia, Mỹ người dân đã phát hiện thấy những bọt khí nổi lên tại một
con lạch. Wiliam Hart, được coi cha đẻ của ngành khí thiên nhiên, đã đào giếng
khí đầu tiên tại Bắc Mỹ.
Trước đây, khí thiên nhiên được phát hiện như là hệ quả của quá trình thăm
dò dầu thô. Khí tự nhiên được coi là sản phẩm không mong muốn, trong quá
trình khoan dầu gặp phải mỏ khí, công nhân phải dừng khoan và để khí tự do
thoát ra ngoài.
Vũ Văn Quảng- KTHH2-K57

Page 5

Đồ án chuyên nghành

chưng cất nhiệt độ thấp

Cho đến tận những năm 70 của thế kỉ trước, cuộc khủng hoảng dầu mỏ xảy
ra khiến khí tự nhiên trở thành một trong những nguồn năng lượng quan trọng
bậc nhất trên thế giới .
Trong những năm gần đây các nước Trung đông (Iran, Arapxeut, Beren...) d
ự định hoàn thành chương trình về khai thác, chế biến và vận 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 LPG 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 m3/khí, đã bắt đầu khai
thác từ tháng 12 năm 1981với trên 450 triệu m3/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 Cái Nước đang khai thác dầu, mỏ Bunga Orkid, 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 .
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.
II, Các phương pháp chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành
1, Chuẩn bị để chế biến
Vũ Văn Quảng- KTHH2-K57

Page 6


Đồ án chuyên nghành

chưng cất nhiệt độ thấp

Khí sau khi khai thác ngoài các cấu tử chính là các hydrocacbon parafin còn chứa
các tạp chất như: bụi, hơi nước, khí trơ, CO2, H2S và các hợp chất hữu cơ của lưu
huỳnh.

Vũ Văn Quảng- KTHH2-K57

Page 7


Đồ án chuyên nghành

chưng cất nhiệt độ thấp

Trước khi đưa vào chế biến, khí cần phải qua công đoạn chuẩn bị, tại đó tiến

hành loại bỏ các tạp chất kể trên bằng quá trình tách bụi, tách hơi nước và
khí axít.
Có rất nhiều các phương pháp loại bỏ cơ học như:
- Làm sạch khí bằng phương pháp lắng.
- Làm sạch khí bằng phương pháp ướt.
- Làm sạch khí bằng phương pháp lọc.
- Làm sạch khí bằng phương pháp điện trường.
Các phương pháp trên có nhiều ưu nhược điểm:
- Đối với phương pháp lắng dưới của tác dụng của trọng lưc thì thiết bị
cồng kềnh, hiệu quả thấp, nhưng đơn giản thông dụng.
- Đối với phương pháp lọc dưới tác dụng của lực ly tâm thì thiết bị gọn
hơn, song không thể lọc hoàn hảo được đối vơí hạt nhỏ, phương pháp
tốn nhiều năng lượng.
- Đối với phương pháp làm ướt thì khí làm nguội bão hào hơi nước nên
một
số trường hợp không dùng.
Đối với phương pháp điện trường là có ưu điểm hơn cả:
- Độ sạch cao: 90-99% .
- Năng lượng tiêu hao ít .
- Trở lực không quá 3-5 mm cột nước .
- Tiến hành ở nhiệt độ cao, trong môi trường ăn mòn hoá học.
- Có thể tự động hoá và cơ khí hoá hoàn toàn.
- Nhưng cũng có nhược điểm là tiền chi phí cao và tiêu hao điện năng lớn.
Vũ Văn Quảng- KTHH2-K57

Page 8


Đồ án chuyên nghành

chưng cất nhiệt độ thấp

Sự có mặt của nước trong khí có thể tạo hydrat, cản trở quá trình vận hành của
các thiết bị trong quá trình chế biến khí ( như bơm, quạt, máy nén…). Để hạn chế
tác hại của hiện tượng này, khí cần được dehydrat bằng cách sấy khí hoặc trộn
thêm vào khí tác nhân ức chế quá trình tạo hydrat.
Mục đích của quá trình sấy khí hay dùng chất ức chế tạo hydrat là tách bớt
lượng hơi nước và tạo ra cho khí có nhiệt độ điểm sương theo nước thấp hơn so
với nhiệt độ cực tiểu mà tại đó khí được vận chuyển hay chế biến.
Có nhiều phương pháp để sấy khí:
- Sấy khí bằng phương pháp hấp thụ.
- Sấy khí bằng phương pháp hấp phụ.
- Sử dụng chất ức chế quá trình tạo hydrat.
Để làm sạch khí khỏi H2S, CO2 và các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh ta
thường sử dụng các dung môi hữu cơ sau:
- Làm sạch bằng dung môi Alknol amin.
- Làm sạch bằng dung môi vật lý và dung môi tổng hợp.

2, 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 -25oC
đến
-35oC 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, sau đó hỗn hợp
khí được đưa sang bộ phận tách khí, lúc này một phần hydrocacbon đã ngưng tụ
được tách ra.
Sau khi được nén và làm lạnh thì hỗn hợp khí bị tách ra thành hai phần:

Phần ngưng tụ (gọi là condesat) của bậc nén và làm lạnh. Khí đồng hành
được
Vũ Văn Quảng- KTHH2-K57

Page 9


Đồ án chuyên nghành

chưng cất nhiệt độ thấp

bơm từ thùng chứa qua bộ phận trao đổi nhiệt sang cột tách etan. Tại đó phân
đoạn

Vũ Văn Quảng- KTHH2-K57

Page 10


Đồ án chuyên nghành

chưng cất nhiệt độ thấp

chứa metan và etan được tách ra. Sau đó benzin là phần ngưng tụ đã tách metan
và
etan qua thiết bị trao đổi nhiệt vào bình chứa, từ đó nó được đưa đi 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 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.
3, 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. Phương pháp này dựa trên cơ sở của 2
quá trình chuyển khối cơ bản: hấp thụ và nhả hấp thụ.
Bản chất vật lý của quá trình là sự cân bằng giữa dòng khí và dòng lỏng
do sự khuếch tán chất từ pha này sang pha khác. Khi đạt cân bằng bền động lực,
sự khuếch tán được xác định bằng hiệu số áp suất riêng phần của cấu tử bị tách ra
trong pha khí và pha lỏng. Nếu áp suất riêng phần của cấu tử trong pha khí lớn
hơn trong pha lỏng thì xảy ra quá trình hấp thụ (hấp thụ khí bởi chất lỏng). Và
ngược lại, nếu áp suất riêng phần của cấu tử bị tách ra trong pha khí nhỏ hơn
trong pha lỏng thì xảy ra quá trình nhả hấp thụ (thoát khí ra khỏi chất lỏng). Đối
với các tính toán thực tế, động lực của quá trình hấp thụ được biểu thị chính xác
hơn không chỉ qua áp suất riêng phần mà còn qua nồng độ của các cấu tử tương
ứng.
Tại các nhà máy chế biến khí, quá trình hấp thụ và nhả hấp thụ được
thực hiện trong các tháp hấp thụ và tháp nhả hấp thụ (tháp chưng luyện) có
cấu tạo kiểu tháp đĩa hoặc tháp đệm, chất hấp thụ được dùng ở đây là các phân
đoạn benzin, kerosen hoặc hỗn hợp của chúng.
4, 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 (HNT) 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
Vũ Văn Quảng- KTHH2-K57

Page 11

Đồ án chuyên nghành

chưng cất nhiệt độ thấp

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 .
III. Cơ sở hóa lý của quá trình chưng cất nhiệt độ tháp
1. Khái niệm về quá trình chưng cất(9-50).
Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (hoặc khí hóa lỏng)
thành những cấu tử riêng biệt bằng cách gia nhiệt đến nhiệt độ bay hơi của các
cấu tử, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp.
Chưng khác cô đặc : trong quá trình chưng các cấu tử đều bay hơi, còn trong
quá trình cô đặc chỉ có dung môi bay hơi mà chất tan không bay hơi.

3
F

1
P
2

W
4

Hình 1.1 Sơ đồ chưng đơn giản.
1- Bình chưng. 2- Hỗn hợp chưng. 3- Thiết bị làm lạnh. 4- Bếp
đun.
F- Nguyên liệu. P- Sản phẩm đỉnh. W- Sản phẩm đáy.

Quá trình chưng bắt đầu với việc sản xuất rượu từ thế kỉ XI, ngày nay được

ứng dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp:
- Dầu mỏ, tài nguyên được khai thác ở dạng lỏng, 3 tỉ tấn/ năm.
- Khí tự nhiên và khí đồng hành.
- Không khí hóa lỏng, chưng cất ở -190oC để sản xuất oxy và nito
- Quá trình tổng hợp hữu cơ thường cho sản phẩm ở dạng lỏng. Ví dụ sản
xuất
Vũ Văn Quảng- KTHH2-K57

Page 12


Đồ án chuyên nghành

chưng cất nhiệt độ thấp

methanol, etylen…
- Công nghệ sinh học thường cho sản phẩm là hỗn hợp chất lỏng như
etylic - nước từ quá trình lên men.

Vũ Văn Quảng- KTHH2-K57

Page 13


Đồ án chuyên ngành

Chưng cất nhiệt độ thấp

2.Sơ đồ chưng cất chung của các nhà máy :

Quá trình hoạt động của tháp có thể tóm tắt như sau: Nguyên liệu trước
khi đưa vào tháp được nâng tới nhiệt độ thích hợp nhờ hệ thống thiết bị trao đổi
nhiệt và lò đốt.
Tại đĩa tiếp liệu các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp sẽ bay hơi và
ngưng tụ ở các đĩa phía trên tháp. Phần các cấu tử nặng hơn, có nhiệt độ sôi
cao hơn sẽ chảy xuống phần trong của tháp (stripping section). Để phân tách
các cấu tử nhẹ còn chứa trong phần nặng, ở đáy tháp thường lắp đặt một thiết
bị gia nhiệt trực tiếp hay gián tiếp tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể.
Để điều khiển nhiệt độ của tháp, dọc theo thân tháp người ta bố trí các
bơm tuần hoàn để lấy pha lỏng từ trong tháp ra để làm nguội khi cần thiết,
Vũ Văn Quảng-KTHH2-K57

Page 14


Đồ án chuyên ngành

Chưng cất nhiệt độ thấp

nhằm mục đích tách các phân đoạn nằm trong các khoảng nhiệt độ sôi phù hợp
với điểm cắt thiết kế. Sản phẩm đỉnh sau khi ngưng tụ được hồi lưu một phần
trở lại tháp nhằm điều chỉnh hoạt động của tháp phù hợp. Các sản phẩm lấy ra
từ một tháp này có thể tiếp tục được đưa sang tháp khác phân tách tiếp thành
các phân đoạn nhỏ hơn hoặc tách triệt để các tạp chất.
-Trong công nghệ chế biến khí thì mô hình tháp chưng được đơn giản đi, thiết bị
không lớn như chưng cất dầu.
Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm. Thường thì có bao nhiêu cấu tử sẽ có bấy
nhiêu sản phẩm. Trường hợp có 2 cấu tử theo sơ đồ chưng hình 1.1 thu được :
- Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần nhỏ cấu tử khó bay hơi (P).
- Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần nhỏ cấu tử dễ bay

hơi (W).
Để có thể thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết sẽ tiến hành chưng nhiều lần ( chưng
luyện ). Khi tiến hành chưng hoặc chưng luyện cần phân biệt theo:
- Áp suất làm việc : chân không, áp suất thường, áp suất cao
- Số lượng cấu tử trong hỗn hợp : hệ 2 cấu từ, hệ có 3 hoặc ít hơn 10 cấu tử, hệ
có nhiều hơn 10 cấu tử.
- Phương thức làm việc liên tục hay gián đoạn.

IV. Các công nghệ chưng cất nhiệt độ thấp.
Quá trình chưng cất nhiệt độ thấp (CNT) tách các cấu tử định trước hiệu quả hơn
quá trình hấp thụ nhiệt độ thấp (HNT) và thiết bị chế tạo cũng đơn giản hơn. Khác
nhau về nguyên lí giữa sơ đồ CNT và NNT ( ngưng tụ nhiệt độ thấp ) là ở chỗ
nguyên liệu đi vào thiết bị sau khi làm lạnh ( toàn bộ hay một phần dòng khí nguyên
liệu ) không có sự tách sơ bộ mà đưa thẳng vào tháp chưng, tại đó xảy ra sự phân
tách riêng biệt khí nguyên liệu thành khí khô ở đỉnh tháp và phân đoạn hydrocacbon
nặng, lấy ra ở đáy tháp.
Phụ thuộc vào sơ đồ nguyên lý của quá trình chưng cất nhiệt độ thấp, thiệt bị cơ
bản của sơ đồ là các tháp chưng được chia thành tháp chưng - bốc hơi và tháp ngưng
tụ - bốc hơi.
1. Tháp chưng – bốc hơi.
Tháp chưng - bốc hơi ( hình 1.6 ) làm việc như tháp chưng liên tục, dòng khí
nguyên liệu đã được làm lạnh sơ bộ tại thiết bị trao đổi nhiệt thu hồi nhờ dòng khí đã
tách benzin được đưa vào phần giữa của tháp. Trên đỉnh tháp được làm lạnh bằng
chu trình làm lạnh ngoài, hỗn hợp khí được ngưng tụ hồi lưu trở về đĩa trên cùng của
tháp chưng. Khí sản phẩm đã tách benzin được dẫn theo đường II sau khi đã truyền
lạnh cho khí nguyên liệu tại thiết bị trao đổi nhiệt thu hồi.

Vũ Văn Quảng-KTHH2-K57

Page 15

Đồ án chuyên ngành

Chưng cất nhiệt độ thấp

Hình 1.6(1-180). Tháp chưng – bốc hơi.
1.Thiết bị trao đổi nhiệt; 2. Tháp chưng bốc hơi; 3. Chu trình làm lạnh ngoài; 4.
Thiết bị tách;
I. Khí nguyên liệu; II. Khí đã tách benzin; III. Ống truyền nhiệt; IV.
Hydrocacbon nặng; V. Hồi lưu

2.

Tháp ngưng tụ - bốc hơi.

Tháp ngưng tụ - bốc hơi khác với tháp chưng bốc hơi khác với tháp chưng – bốc
hơi ở chỗ hỗn hợp khí nguyên liệu đầu được trộn với sản phẩm đỉnh tháp, sau khi làm
lạnh bằng chu trình làm lạnh ngoài bằng propan được đưa vào đĩa trên cùng của tháp
chưng. Trên hình 1.7 là sơ đồ tháp ngưng tụ - bốc hơi. Trong sơ đồ này sản phẩm
đỉnh tháp được trộn với dòng khí nguyên liệu, qua chu trình làm lạnh ngoài có độ âm
cần thiết, hỗn hợp đưa qua thiết bị tách 2, phần khí sản phẩm đưa ra theo đường VI,
còn phần lỏng được đưa vào đĩa trên cùng của tháp ngưng tụ - bốc hơi.
Trong quá trình làm việc của tháp chưng, việc tăng áp suất sẽ làm giảm không đáng
kể năng lượng cho công đoạn làm lạnh, nhưng năng lượng tiêu tốn chung cho quá
trình sẽ giảm đáng kể vì quá trình được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn. Chỉ số hồi lưu
tính toán trong khoảng 1,55-1,78.

Vũ Văn Quảng-KTHH2-K57

Page 16


Đồ án chuyên ngành

Chưng cất nhiệt độ thấp

Hình 1.7(1-180). Tháp ngưng tụ - bốc hơi
1. Chu trình làm lạnh ngoài; 2. Tháp tách; 3. Tháp ngưng tụ bốc hơi;
I. Khí nguyên liệu; ; II. Khí đã tách benzin; III. Ống truyền nhiệt; IV. Hydrocacbon nặng;
V. Hồi lưu; VI. Sản phẩm đỉnh tháp

Thông thường trong công nghiệp tháp chưng có 13 đến 17 đĩa lý thuyết.
Khi sử dụng chu trình làm lạnh bằng propan và yêu cầu nhận sản phẩm C ≥3, các
thông số của quá trình như sau : nhiệt độ đỉnh tháp -23 oC-30 oC, áp suất trong tháp
2,5-3,5 MPa.
Sơ đồ tháp chưng - bốc hơi có ưu điểm là tận dụng được dòng sản phẩm ra để
làm lạnh ngưng tụ nguyên liệu đầu, hiệu suất tách cao do có hồi lưu sản phẩm
đỉnh. Còn sơ đồ tháp ngưng tụ - bốc hơi lại có ưu điểm là chỉ sử dụng một thiết bị
làm lạnh vừa hồi lưu sản phẩm đỉnh, vừa ngưng tụ khí nguyên liệu đầu, thiết bị
đơn giản hơn so với tháp chưng - bốc hơi. Để tận dụng được các ưu điểm của cả 2
sơ đồ này, người ta đã nghiên cứu sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp với 2 đường
nguyên liệu vào tháp.
3.

CNT có hai đường đưa nguyên liệu vào tháp.

Nhà máy chế biến khí Belarus (CHLB Nga cũ ) đang sử dụng công nghệ chế biến
khí này.Theo sơ đồ của nhà máy Belarus, dòng khí nguyên liệu chia thành 2 dòng :

Vũ Văn Quảng-KTHH2-K57

Page 17


Đồ án chuyên ngành

Chưng cất nhiệt độ thấp

Hình 1.8(1-181). Sơ đồ CNT có hai đường đưa nguyên liệu vào tháp.
1. Thiết bị trao đổi nhiệt; 2. Làm lạnh bằng propan; 3. Thiết bị tách ba pha; 4. Thiết bị bơm
; 5. Tháp chưng; 6. Đun nóng đáy tháp;
I. Khí nguyên liệu; II. Khí khô; III. Phân đoạn Hydrocacbon nặng;
IV; DEG thu hồi. V. DEG 98%; VI. Chất tải nhiệt.

Trên hình 1.8 là sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp với hai đường đưa nguyên liệu vào
tháp. Sơ đồ này hợp lí hơn sơ đồ 1 đường nguyên liệu vào tháp về mặt động học, tiết
kiệm khoảng 10% năng lượng, và quá trình được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn.
- Một dòng không làm lạnh đi vào phần giữa của tháp, chiếm 60% thể tích
dòng tổng.
- Dòng thứ 2 chiếm 40% dòng tổng, được làm lạnh trong thiết bị trao đổi nhiệt
1 bởi dòng khí đi ra từ đỉnh tháp 5, sau đó được trộn với sản phẩm đỉnh tháp
trong thiết bị bay hơi propan 2 đến nhiệt độ -25 0C, một phần bị ngưng tụ. Hỗn
hợp 2 pha từ từ thiết bị bay hơi propan được dẫn vào tháp tách 3, tại đây, khí
được tách khỏi condensate. Khí sau khi truyền phần lạnh trong thiết bị trao
đổi nhiệt 1 được đưa đi sử dụng. Phần lỏng qua bơm 4 đi vào phần trên của
tháp 5.
Nhiệt độ tháp tách 3 được duy trì ở -27oC. Sản phầm đỉnh tháp chưng 5 được hỗn
hợp với dòng khí nguyên liệu đã qua làm lạnh 1. Nhiệt độ cung cấp cho đáy tháp 5
do dòng chảy tuần hoàn qua thiết bị đun nóng 6. Nhiệt độ đáy tháp là 100 oC. Từ đáy

tháp nhận được phân đoạn hydrocacbon nặng.
4.

CNT có tuabin giãn nở khí.

Vũ Văn Quảng-KTHH2-K57

Page 18


Đồ án chuyên ngành

Chưng cất nhiệt độ thấp

Hình 1.9(1-182) Sơ đồ CNT có tuabin giãn nở khí
1,3. Các tháp tách; 2. Máy nén; 4. Thiết bị trao đổi nhiệt;
5. Tuabin giãn nở khí; 6. Tháp chưng.
I. Khí nguyên liệu; II. Khí khô; III. Phân đoạn các hydrocacbon nặng;
IV. Propan

V.

Khí nguyên liệu đi vào thiết bị được làm lạnh bởi dòng khí khô và propan đi ngược
lại trong thiết bị trao đổi nhiệt có nhiều lối vào 4, và được dẫn vào tháp chưng 6. Sản
phẩm đỉnh tháp chưng 6 đưa vào tuabin giãn nở khí 5, sau khi giãn nở quay lại làm
lạnh đỉnh tháp 6, sau đó đ qua thiết bị trao đổi nhiệt 4, và đưa đi sử dụng (II). Từ đáy
tháp 6 nhận được phân đoạn các hydrocacbon nặng, sau khi hỗn hợp với propan
trước khi vào tháp 4 sẽ truyền phần lạnh cho khí nguyên liệu trong tháp 4 và đi
ngược vào tháp tách 1. Trong tháp tách 1 duy trì áp suất sao cho từ đỉnh tháp nhận
được propan có độ sạch cần thiết. Từ đáy tháp nhận được phân đoan chứa các

hydrocacbon nặng. Propan được nén bằng máy nén 2, sau khi được làm lạnh đi vào
tháp tách 3. Tại đây các cấu tử nhẹ không ngưng tụ được tách ra và được hỗn hợp với
dòng khí nguyên liệu vào, còn propan lỏng đi vào thiết bị bay hơi propan để làm lạnh
dòng khí nguyên liệu đi vào thiết bị trao đổi nhiệt 4.
Các thiết bị chính.
Nhìn chung các thiết bị trong quá trình chưng cất nhiệt độ thấp sử dụng hai đường
đưa nguyên liệu vào tháp đa dạng và phong phú. Tùy theo sản lượng, thành phần khí
và mức độ yêu cầu ta có các thiết bị khác nhau. Ta có các cụm thiết bị chính như sau:

Vũ Văn Quảng-KTHH2-K57

Page 19


Đồ án chuyên ngành

Chưng cất nhiệt độ thấp

1. Thiết bị nén khí.
Trong sơ đồ công nghệ nêu trên, có 1 thiết bị nén khí: máy nén khí dòng nguyên
liệu vào. Thiết bị này thường dùng là máy nén pittông hoặc máy nén ly tâm.
- Máy nén pittông: được sử dụng nhiều trong công nghiệp với quy mô vừa và nhỏ.
Do nó cho phép áp suất vào và ra khá linh động, tỉ số nén cao và giá thành thấp khi
năng suất thấp.
- Máy nén ly tâm: được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa học. Nó có
ưu điểm so với máy nén pittông là: năng suất lớn, cấu tạo đơn giản, chi phí bảo
dưỡng thấp.
Trong sơ đồ công nghệ trên, áp suất nguyên liệu cần nén tới 3,0 – 4,0 Mpa, công suất
thiết bị lớn, theo đồ thị 13-3, ta nên dùng máy nén ly tâm nhiều cấp.
- Dưới đây là mô hình máy nén 3 và 1cấp được sử dụng phổ biến trong công nghiệp:

2. Thiết bị phân tách lỏng – hơi.
Thiết bị này có nhiệm vụ phân tách lỏng – hơi sau khi ngưng tụ nguyên liệu
vào. Hoạt động của thiết bị dựa vào trọng lực, chất lỏng có khối lượng riêng
lớn hơn lắng xuống đáy thiết bị, hơi nhẹ hơn đi lên trên. Tuy nhiên, trong quá
trình hơi tách ra khỏi lỏng, hơi cuốn theo những giọt lỏng có kích thước nhỏ tạo
thành sương mù mà không thể tách bằng trọng lực. Trong quá trình đi lên, những
hạt này kết hợp lại thành những hạt lớn hơn và có thể lắng xuống dưới tác dụng
trọng lực.
Vũ Văn Quảng-KTHH2-K57

Page 20


Đồ án chuyên ngành

Chưng cất nhiệt độ thấp

Dựa vào hình dạng và chế độ mà ngươi ta phân loại thiết bị thành dạng nằm đứng và
dạng nằm ngang

Hình 2.0(5-165). Cấu tạo thiết bị phân tách lỏng hơi

Cấu tạo của thiết tách gồm 4 phần cơ bản sau.
- Đầu vào A, có tác dụng giảm tốc độ dòng chảy, phân tách sơ bộ lỏng – hơi.
- Phần tách khí B được thiết kế để dùng trọng lực tách các giọt lỏng bị lôi cuốn
theo. Nó là vùng không gian trống mà khí di chuyển với vận tốc thấp, trong
thiết bị nằm ngang, còn lắp thêm các cánh quạt thẳng để giảm sự rối loạn và
chiều dài của thiết bị.
- Vùng tách lỏng C có nhiệm vụ thu hồi các giọt lỏng rơi xuống, đồng thời

cung cấp thời gian lưu đủ lớn để tách hơi.
- Phần tách sương D sử dụng các tấm lưới, hệ thống cánh quạt hoặc các
cyclone. Nó có tác dụng loại bỏ những hạt lỏng có kích thước nhỏ, có thể đến
3 micromet.
Để lựa chọn loại thiết bị không có quy tắc cụ thể nào. Thông thường ta dùng chỉ
tiêu kinh tế để lựa chọn. Các ứng dụng, và so sánh được thể hiện dưới đây:

Vũ Văn Quảng-KTHH2-K57

Page 21


Đồ án chuyên ngành

Phạm vi ứng dụng

-

Chưng cất nhiệt độ thấp

Nằm ngang
Thể tích hỗn hợp vào lớn.
Tỉ lệ hơi/lỏng không quá cao.

-

Ưu điểm

-

-

Nhược điểm

-

Đường kính nhỏ hơn khi cùng
lượng khí so với dạng thẳng
đứng.
Bề mặt bay hơi lớn.
Dòng khí không cản trở sự
thoát nước của phần tách
sương.
Chỉ có một phần không gian
nhỏ để thoát khí
Chiếm nhiều diện tích.
Điều khiển mức chất lỏng đặc
biệt quan trọng.

-

-

-

Thẳng đứng
Lưu lượng dòng vào
nhỏ.
Tỉ lệ hơi/lỏng cao.
Không gian lắp đặt bị

hạn chế.
Việc kiểm soát mức chất
lỏng không quá quan
trọng.
Có đủ không gian thoát
khí ở trên và lỏng ở
dưới.
Chiếm ít diện tích.
Đường kính lớn hơn so
với thiết bị nằm ngang.
Khó khăn trong lắp ráp
thiết bị, kiểm tra an toàn

Bảng 1.4 so sánh tính chất của thiết bị tách dạng nằm ngang và dạng thằng đứng
3. Tháp chưng cất.
Sản phẩm đỉnh tháp là hỗn hợp gồm metan (20 – 70% thể tích), etan (30 – 75%
thể tích), propan (không quá 5% thể tích). Áp suất làm việc của tháp từ 3,0 – 3,5
Mpa. Việc duy trì áp suất cao không yêu cầu tiêu tốn thêm năng lượng do áp suất
của phương pháp chưng cất nhiệt độ thấp vào khoảng 3,5 Mpa. Áp suất cao hơn
không có lợi do khó khăn trong việc tách khí. Ở điều kiện áp suất đó, nhiệt độ đỉnh
tháp từ -30oC - 0oC, nhiệt độ đáy tháp từ 90oC - 120oC.
Có 2 loại tháp chưng phổ biến là tháp đệm và tháp đĩa. Tháp đĩa có nhiều dạng
như: đĩa lỗ, van, đĩa chóp. Đĩa lỗ và van được dùng phổ biến hơn dạng chóp do có
hiệu suất cao, khoảng vận hành rộng, chi phí thấp và dễ bảo trì. Tháp đệm cũng có
nhiều loại, được chia thành: đệm đổ lộn xộn và đệm cấu trúc. Đệm đổ lộn xộn thường
dùng trong các tháp loại nhỏ, trong khi đệm cấu trúc được sử dụng trong các cột lớn
hơn.
*Tháp đệm
- Đối với tháp đệm có rất nhiều ưu điểm như bề mặt tiếp xúc pha lớn, trở lực trong
tháp nhỏ thích hợp làm việc ở áp suất thấp, cấu tạo đơn giản, giới hạn làm việc của

tháp tương đối rộng. Nhưng cũng có nhược điểm là khó ướt đều đệm , tháp cao quá
thì rất khó điều khiển quá trình, yêu cầu vận hành tương đối cao
-cấu tạo chung tháp đệm như sau:

Vũ Văn Quảng-KTHH2-K57

Page 22


Đồ án chuyên ngành

Chưng cất nhiệt độ thấp

Hình 2.1(7) cấu tạo chung của tháp đệm
-Các loại đệm sử dụng thường là đện bằng gốn sứ hoặc bằng kim loại. Để bề mặt
tiếp xúc phía trong vòng gốm người ta làm các tấm chắn, người ta xếp đệm trên
các đĩa có hai loại lỗ khác nhau. Một số loại đệm đời mới nhất:

Các lỗ nhỏ (phía dưới) để chất lỏng đi qua và lỗ lớn (phía trên) để cho hơi đi qua.
Nhược điểm của loại đĩa này là: tiếp xúc giữa pha hơi và pha lỏng không tốt.
Nhưng khi dùng tháp có đường kính nhỏ hơn 1 m, thì hiệu quả của tháp này không
kém tháp đĩa chóp, vì vậy chúng thường dùng để chưng luyện gián đoạn với công
suất thiết bị không lớn
*Tháp chóp
-Tháp chóp có các đĩa kim loại mà trong đó có cấu tạo nhiều lỗ để cho hơi đi qua.
Ưu điểm của tháp này là làm việc rất ổn định, hiệu quả chưng tách khá cao, dễ dàng
vận hành mà không cần yêu càu kĩ thuật cao.
Vũ Văn Quảng-KTHH2-K57

Page 23

Đồ án chuyên ngành

Chưng cất nhiệt độ thấp

Hình 2.2 cấu tạo chung tháp chóp
- Theo chu vi các lỗ người ta bố trí trong nhánh có độ cao xác định gọi là cốc, nhờ có
ống nhánh này giữ mức chất lỏng xác định. Phía trên các ống nhánh là các chụp.
Khoảng giữa ống nối và chụp có vùng không gian cho hơi đi qua, đi từ đĩa dưới lên
đĩa trên.

Hình 2.3 Nguyên lý quá trình chuyển khối trong tháp
* Tháp đĩa lỗ
Vũ Văn Quảng-KTHH2-K57

Page 24


Đồ án chuyên ngành

Chưng cất nhiệt độ thấp

Lớp chất lỏng một có chiều cao khoảng 25 - 30mm. Giữ ở trên các đĩa, hơi
qua các lỗ sàng 2, và làm sủi bọt qua lớp chất lỏng, lớp chất lỏng trên đĩa mà dư thì
chảy theo ống chảy chuyền 3 xuống dưới. Loại đĩa này yêu cầu chế độ không đổi, vì
rằng như khi giảm hiệu suất thiết bị sẽ làm giảm sự gặp nhau giữa dòng hơi và
dòng lỏng, dò hết xuống, làm cho đĩa trở ra, khi tăng công suất thì làm tăng dòng
hơi gặp nhau, và lượng lớn hơi, cấu tử nặng đi ra khỏi chất lỏng làm phá vỡ cân bằng
trong tháp và làm giảm sự phân chia trong tháp.

Hình 2.3. Tháp đĩa lỗ

Trước đây, các tháp chưng trong nhà máy chế biến khí thường sử dụng tháp đĩa,
tuy nhiên gần đây tháp đệm cấu trúc lại được dùng phổ biến hơn. Ưu điểm của tháp
đệm là độ giảm áp nhỏ (17 – 50 mmH2O trên 1m đệm) và năng suất hơn (trên 1m
đường kính) khi tỉ lệ lỏng/hơi cao. Ngoài ra, kích thước tháp đệm cũng nhỏ hơn nên
chi phí ban đầu thấp. Nhược điểm của tháp đệm là dễ tắc khi có lẫn bui bẩn và phân
bố lỏng không đều khi đường kính tháp lớn.
-Ngoài ra còn có các loại tháp như tháp van, tháp đĩa lỗ cũng được ứng dụng rất rộng
rãi. Nguyên lý hoạt động tương tự như tháp chóp nhưng khác ở các đĩa.
Một số loại đĩa trong thưc tế được mô tả như sau:

Vũ Văn Quảng-KTHH2-K57

Page 25