tính toán lự chọn công nghệ tối ưu, lam ngọt khí tự nhiên

Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn
MỤC LỤC

Lăng Đức Trí

Page 1


Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn
DANH MỤC BẢNG

DANH MUC HINH

Lăng Đức Trí

Page 2


Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn

MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, dầu mỏ và khí tự nhiên
là quan trọng đối sự phát triển của mỗi quốc gia. Đó là nguên liệu không thể thiếu
trong các ngành công nghiệp. Đó là nguồn nguyên liệu không phải là vô tận cần phải
khai thác hợp lý chống lãng phí nguồn nguyên liệu.

Trước đây dầu mỏ được khai thác và chế biến rất nhiều so với khí tự nhiên khai
thác, do lượng dầu mỏ ngày nay dần cạn kiện với ngành phát triển manh mẽ của công
nghệ chế biến khí. Các ngành công nghệ chế biến khí ở Việt Nam đang trren đà phát
triển. Xây dựng các nhà mấy chế biến nguồn tài nguyên này nhằm đáp ứng nhu cầu về
năng lượng.
Tuy còn hạn chế về công nghệ nhưng đó góp phần lớ vào sự phát triển đất
nước.
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, CO 2, H2S và các tạp chất hữu cơ của lưu
huỳnh. Đây là các thành phần có thể gây tổn hại đến sức khoẻ con người cũng như nó
làm ăn mòn đường ống thiết bị trong quá trình khai thác và chế biến. đặc biệt với các
khí như CO2 và H2S vì vậy 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 các quá trình tách bụi, tách
hơi nước và đặc biệt là làm ngọt khí. Đồ án “Tính toán các thông số cơ bản của tháp
làm ngọt khí bằng MEA”.

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KHÍ TỰ NHIÊN
Lăng Đức Trí

Page 3


Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn

1.1. Đặc điểm thành phần nguồn khí Việt Nam.
1.1.1. Khí tự nhiên.

Khí tự nhiên là tập hợp những hydrocacbon khi CH4, C2H8, C3H8,C4H10... Có

trong lòng đất.Chúng thường tồn tại thành những mỏ khí riêng rẽ hoặc tồn tại ở trên
các lớp dầu mỏ. Trong nghĩa hẹp khí tự nhiên được hiểu là khí trong các mỏ khí. Khí
tự nhiên cũng luôn chứa các khí vô cơ N2, H2S, CO2, khí trơ và hơi nước.
1.1.2. Khí đồng hành

Là khí năm lẫn trong dầu mỏ, được hình thành cũng với dầu còn gọi là khí dấu
mỏ. Về mặt định tỉnh khí đồng hành khá giống khi thiên nhiên nhưng về mặt định
lượng thì khi đồng hành có hàm lượng Metan thấp hơn so với khí tự nhiện, thường là
30 - 87%.
1.1.3. Khí ngưng tụ ( condensat )

Thực chất là dạng trung gian giữa dầu mỏ và khí ,bao gồm các hydrocacbon
như Propan, Butan và một số hydrocacbon lỏng khác như Pentan, Pexan,thậm chí
hydrocacbon Naphtenic và Aromatic đơn giản, ở điểu kiện thường khí ngưng tụ ở
dạng lỏng.
1.1.4. Thành phần
a. Các hợp chất hydrocacbon

Chủ yếu là các khi metan và đồng đẳng của nó như : Etan , Propan, n-Butan,
isoButan, ngoài ra còn một lượng ít các hợp chất C 5, C6. Hàm lượng các cấu tử trên
thay đổi tuỳ theo nguồn gốc của khí(khi thiên nhiên chứa chủ yếu metan các khí C 3-C4
rất ít, còn trong khí đồng hành hàm lượng C3-C4 cao hơn).
b. Các hợp chất phi hydrocacbon

Ngoài thành phần chính là các hydrocacbon , trong khí thiên nhiên và khí dầu
mỏ còn chứa các tạp chất như : CO 2, N2, H2S , H2 , He, Ar, Ne...trong các loai khí trên
thường N2 chiếm phần lớn. Tuỳ theo hàm lượng các khí co trong các mỏ mà người ta
có phương pháp khác nhau để thu hổi chúng.

Lăng Đức Trí

Page 4


Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn

1.1.5. Sự phân bố, trữ lượng và tiềm năng khí thiên nhiên tại Việt Nam.

Theo số liệu của trung tâm nghiên cứu và phát triển chế biển dầu khí tiềm năng
và trữ lượng khí thiên nhiên là 3000 tỷ m 3 ,Trữ lượng được thẩm lượng và sẵn sàng để
phát triển khai thác trong thời gian tới vào khoảng 400 tỷ m 3, nguồn khí Việt Nam tập
trung chủ yếu tại các mỏ khí của các bể : Sông Hồng, Cửu Long, Nam Côn Sơn, và
Malay-Thổ chu.
Bể Cữu Long : Diện tích 60 ngàn km 2 với trữ lượng 50 tỷ m 3, sản phẩm chủ
yếu dầu và khí đồng hành.
Bể Nam Côn Sơn :Diện tích 160 ngàn km 2 với trữ lượng 160 tỷ m3 sản phẩm
chủ yếu khí va condensat.
Bể Malay-Thổ Chu :Nằm phía đông vinh Thái Lan, trữ lượng 140 tỷ m 3 sản
phẩm dầu và khí.
Bể Sông Hồng: Diện tích khoảng 120 ngàn km 2 , tiềm năng khí là khá lớn
khoảng 2000 tỷ m3 khí thiên nhiên nhưng do bể co hàm lượng CO2 lớn nên việc khai
thác và đưa vào sử dụng khí ở các mỏ này là chưa khả thi.
Bảng 1: Thành phần khí ở bể Cửu Long(1) (% theo thể tích)
Mỏ

Rồng Đôi (lô 09)

Cấu tử

Bạch Hổ
(lô 09)

Khí dồng hành

Rạng Đông
( lô 09)

Ruby
( lô 01)

Khí tự nhiên

Metan, C1
Etan, C2
Propan, C3
Butan, C4
Condensat, C5
N2

76,82
11,87
5,98
1,04
0,32
0,05

84,77
7,22

3,46
1,7
1,3
-

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

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

78,02
10,67
6,7
1,74
0,38
0,6

CO2
H2 S

1,00

-

-

-

0,42
-

0,07
-

Bảng 2: Thành phần khí ở bể Nam Côn Sơn (1 ) (% theo thể tích)
Mỏ
Cấu tử
Lăng Đức Trí

Đại Hùng
(05-1a)

Lan Tây
(06-1)

Lan Đỏ
(06-1)
Page 5

Rồng Đôi
(11-2)

Hải Thạch
(05-2)

Mộc Tinh
(05-3)


Đồ án công nghệ hóa học
Metan, C1
Etan, C2
Propan, C3
Butan, C4
Condesat, C5
N2
CO2
H2S

77,25
9,49
3,38
1,34
0,48
4,5
-

ThS. Nguyễn Văn Toàn
88,5
4,3
2,4
0,6

1,4
0,3
1,9
10

93,9
2,3
0,5
0,1
0,2
1,6
1,2
Chưa đo

81,41
5,25
3,06
1,47
0,55
0,08
5,64
0,00

81,00
5,20
2,8
1,50
4,70
0,11
4,40

-

89,44
3,80
1,48
0,71
0,54
0,15
3,88
-

Bảng 3: Thành phần khí ở Ma Lay- Thổ Chu (1) ( % theo thể tích)
Thành phần
Metan C1
Etan C2
Propan C3
Butan C4
Condensat C5
N2
CO2
H2S

MP3
77,91
6,86
4,09
1,98
0,42
0,80
7,86

-

UNOCAL
89,65
2,74
0,40
0,17
0,05
2,14
4,38
-

Lô Tây Nam
89,42
4,26
2,38
1,12
0,32
0,34
1,88
24ppm

1.2. Các phương pháp xử lý làm ngọt khí.
1.2.1. Tác hại và sự cần thiết loại bỏ khí Acid (H2S, CO2)

Trong hỗn hợp khí tự nhiên, khi đồng hành và khí hoá dầu ngoài khi
Hydrocacbon còn chứa một số khí khác như: Khí chua (H2S, CO2), đồng thời còn chứa
một lượng không lớn khí hữu cơ khác như: COS, CS 2, Mecaptan Sự tồn tại của chúng
trong khi sẽ gây cản trở trong sự vận hành và chế biến khí, chúng gây ăn mòn thiết bị,
gây ngộ độc chất xúc tác trong chế biến, đối với người sử dụng nó có ảnh hưởng

không tốt đến sức khoẻ, gây ô nhiễm môi trường, khí cacbonic có phần ít độc hại hơn.
Nhưng nếu thành phần của chúng quá lớn thì sẽ làm giảm nhiệt trị của hỗn hợp khí.
Mặt khác, Hydrosunfua (H2S) là khí dễ cháy (giới hạn cháy nổ rộng) là chất
không có màu trứng thối rất khó chịu. H2S rất độc có thể gây ngộ độc dẫn đến tử vong
cho con người khi tiếp xúc lâu với nó ở nồng độ cao trong khí. Cho nên, trong quá
trình vận hành khí chúng ta phải hết sức quan tâm đến sự an toàn thiết bị, để phòng rò
rỉ khí. Từ những vấn để phân tích trên chúng ta đã nhận thấy sự bất lợi và tác hại của
khí chua H2S, CO2 có mặt trong khí tự nhiên, khí đồng hành. Vì thế chúng ta cần phải
Lăng Đức Trí

Page 6


Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn

loại bỏ chúng trước khi đưa vào chế biến, nói một cách khác chính là làm ngọt. Tuy
vậy, bên cạnh sự tác hại của khí chua, thì chúng vẫn có lợi còn ứng dụng được trong
công nghiệp chế biến:
H2S là nguồn nguyên liệu quan trọng để sản xuất lưu huỳnh nguyên chất và
Acid Sunfuaric.
CO2 cũng là nguyên nhiên liệu được dùng trong công nghiệp chế biến thực
phẩm, trong công nghiệp hoá chất hoá học, trong nông nghiệp, trong công
nghiệp sản xuất đồ uống nước giải khát.
Vì vậy, khi lựa chọn các quy trình làm ngọt khí cần phải tính đến mức độ loại
các cấu tử không mong muốn trên và tận dụng chúng để sản xuất ra các sản phẩm
chuyên dùng cần thiết.
Tiêu chuẩn cho phép khi chua còn lại trong khí sạch:
Ở Mỹ: Hàm lượng H2S cho phép s 5,7 mgH,S/m3khí

Ở Nga: Hàm lượng H2S cho phép S 20 mgH,S/m3 khí
Ở Việt Nam : Hiện nay chưa có một quy định nào cụ thể nào, vì khí tự
nhiên, khí đồng hành và khí hóa dầu của chúng ta có hàm lượng CO 2 và H2S
thấp, (trừ khí ở bể Sông Hồng có hàm lượng CO2 tương đối cao).
Nói chung, trong các quy trình công nghệ xử lý khí cần phải làm ngọt khí nhằm
có mục đích:
Giảm ăn mòn đuờng Ống, thiết bị trong quá trình xử lý khí hay sử dụng khí.
Giảm thiếu khả năng gây ngộ độc chất xúc tác trong các công đoạn chế
biến sâu.
Đảm bảo an toàn cho sức khoẻ và ô nhiễm môi trường.
Đáp ứng tiêu chuẩn về các chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm khí thương mại.
Thu hồi khi chua dùng cho các ngành công nghiệp khác, khi hàm lượng lưu
huỳnh trong khí là đáng kể.
Lăng Đức Trí

Page 7


Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn

1.2.2. Các phương pháp hấp thụ làm ngọt khí.
1.2.2.1. Phương pháp hấp thụ vậy lý.
a) Cơ sở lý thuyết.

Ngoài các phương pháp làm ngọt bằng phương pháp hấp thụ hóa học sử dụng
dung môi ankanolamin cũng hay thấy sử dụng phương pháp hấp thụ vật lý như quá
trình Flour, Selecsol, Purizol...
 Khả năng hấp thụ phụ thuộc áp suất riêng phần của khí chua trong điều kiện

làm việc:
•

Áp suất riêng phần thấp thì khả năng hấp thụ thấp. Để quá trình hấp thụ
vật lý diễn ra hiệu quả, cần thực hiện quá trình ở nhiệt độ thấp.

•

Áp suất riêng phần ≥ 5MPa: dung môi vật lý có ưu thế hơn hẳn dung
môi hóa học, áp suất càng cao, hiệu quả quá trình càng tăng.

 Khả năng hấp thụ CO2 và H2S của mỗi chất hấp thụ khác nhau nên có thể dùng

để hấp thụ chọn lọc.
 Dung môi hấp thụ: propylene carbonate, dimethyl-tert-polyethyleneglycol

(DMEPEG), N-N-methylpyrolidone,…
 Ưu điểm:
• Có thể làm sạch hoàntoàn H2S, CO2, RSH, COS, CS2.
• Không tạo bọt, không ăn mòn thiết bị.
• Nhiệt độ đóng băng thấp.
• Đầu tư và chi phí sản xuất thấp.
 Khuyết điểm:

Độ hòa tan tan hydrocarbon trong dung môi hấp thụ cao.
b) Các công nghệ làm ngọt khí điền hình

Quá trình FLOUR
 Chất hấp thụ: propylene carbonate

Lăng Đức Trí

Page 8


VI
Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn

Bảng 4: Tính chất hóa lý của propylene carbonate.
Tính chất hóa lý của propylene carbonate

III

Nhiệt độ sôi, 0C

242

Phân tử lượng

102

Nhiệt độ nóng chảy, 0C

-49

Độ nhớt ở 180C, m2/s

6,64.10-6

Tỷ trọng ở 200C, kg/m3

1200

Áp suất hơi bão hòa ở 270C, Pa

0,666

 Đặc điểmquá trình:

Dung môi hòa tan tốt H2S, CO2, COS, CS2, RSH và hydrocarbon, có
tác dụng ăn mòn yếu đối với thép carbon thường, bền hóa học trong điều kiện
áp suất hơi bão hòa thấp. Được áp dụng thuận lợi nhất khi khí có áp suất riêng
phần tổng của khí chua lớn hơn 0,4 MPa, nồng độ CO2 cao, tỉ lệ H2S:CO2
thấp. Hấp thụ ở nhiệt độ thấp: 0÷-60C. Quá trình tái sinh chất hấp thụ được
thực hiện bằng giảm áp suất theo từng bậc. Khí giãn nở, sau khi đi ra khỏi
bình phân ly chứa đáng kể hydrocacbon và khí axit nên không thể dùng làm
nguyên liệu cho hệ thống sản xuất lưu huỳnh hoặc làm nhiên liệu.

Sơ đồ quy trình công nghệ

Lăng Đức Trí

Page 9


Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn

Hình 1. sơ đồ quy trình công nghệ Fluor
1. Tháp hấp thụ

2. Thiết bị phân li

3. Tuốc bin

4. Máy nén

5. Tuốc bin thủy lực

6. Bộ phận truyền động

I. Khí ẩm

II. Khí acid

III.Khí sạch

IV. Dung môi tái sinh V. Dung môi bão hòa

VI. Dung môi tuần hoàn

Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ
Khí nguyên liệu ( I )được cho vào tháp hấp thụ ở gần đáy tháp đồng thời dung
môi ( IV ) được bơm từ đỉnh tháp xuống, quá trình hấp thụ sẽ tiến hành trong khoảng
nhiệt độ từ 0÷60C. Khí đi ra từ đỉnh tháp là khí sạch (ngọt) III. Dung môi bão hòa (V)
được bơm vào thiết bị phân li thứ nhất (2) ,ở thiết bị phân li thứ nhất một khí nguyên
liệu được máy nén đẩy dòng khí hoàn nguyên về dòng nguyên liệu ban đầu,phần tạp

chất còn lại được đưa qua thiết bị phân li thứ hai (2). Ở thiết bị này khí acid đi ra từ
đỉnh tháp và được Tuốc - Bin bơm thải ra cùng với dòng khí acid của thiết bị phân li
thứ ba (2) đi ra ngoài. Phần dung môi bão hòa tiếp tục được đua vào thiết bị phân li
thứ (3), tại đây thì khí acid đã được phân li hoàn toàn và thải ra ngoài còn phần dung
môi sạch (dung môi tái sinh) được bơm trở lại tháp hấp thụ để tiến hành quá trình hấp
thụ.
Công nghệ làm ngọt khí SELEXOL
Lăng Đức Trí

Page 10


Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn

 Chất hấp thụ: dimethylether polyethyleneglycol (DMEPEG).

Bảng 5: Tính chất hóa lý của DMEPEG
Tính chất hóa lý của DMEPEG
Nhiệt độ sôi, 0C

151

Phân tử lượng

280

Nhiệt độ nóng chảy, 0C

22-29

Độ nhớt ở 250C, Pa.s

5,8.10-3

Tỷ trọng ở 250C, kg/m3

1000

Áp suất hơi bão hòa ở 250C, Pa

1,33

Nhiệt dung ở 250C, kJ/kg.K

2,43

Dung môi không độc, bền về mặt hóa học trong điều kiện quá trình không sủi
bọt, không có hoạt tính ăn mòn, dễ phân hủy khi làm sạch nước thải bằng vi sinh, có
độ chọn lọc cao và đảm bảo hấp thụ chọn lọc H2S với sự có mặt của CO2. Đặc tính
này có ý nghĩa quan trọng, vì trong trường hợp sử dụng 2 bậc làm sạch, có thể thu
được ở bậc thứ nhất nguyên liệu tốt để sản xuất lưu huỳnh (khí axit có nồng độ H2S
cao) và ở bậc thứ hai- nguyên liệu tốt để sản xuất CO2 thành phẩm.
Đặc điểm quá trình: Hệ thống xây dựng để làm sạch khí hydrocacbon nhân tạo
với nồng độ CO2 cao và nồng độ H2S không lớn. Trước đây, vào những năm 70, quá
trình được sử dụng để làm sạch triệt để khí thiên nhiên có nồng độ H2S và CO2 cao
và trung bình (quá trình này hấp thụ được đến 97% H2S và 85% CO2). Hiệu quả của
quá trình tăng cùng với sự tăng áp suất làm việc và nồng độ khí axit trong khí ban đầu.
Chế độ công nghệ: nhiệt độ dao động từ 10 đến -15 0C, áp suất 6.8 – 7 Mpa.

Việc tái sinh dung môi thực hiện không cấp nhiệt bằng giảm áp suất nhiều bậc trong

Lăng Đức Trí

Page 11


Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn

hệ thống. Để thực hiện quá trình Selecsol cần chi phí đầu tư và vận hành thấp hơn
đáng kể so với quá trình MEA: chi phí vận hành giảm 30%, đầu tư giảm 70%.
Công nghệ làm ngọt khí PURIZOL
 Chất hấp thụ: N-methylpyrolidon (NMP).

Bảng 6: Tính chất hóa lý cảu NMP
Tính chất hóa lý của NMP
Nhiệt độ sôi, 0C

275

Phân tử lượng

99

Nhiệt độ nóng chảy, 0C

24

Độ nhớt ở 200C, Pa.s

1,87

Tỷ trọng ở 250C, kg/m3

1000

Áp suất hơi bão hòa ở 400C, Pa

133,3

Nhiệt dung ở 200C, kJ/kg.K

1,67

Dung môi không độc, hòa tan tốt H2S, CO2, RSH và hydrocarbon, không gây
ăn mòn, dễ phân hủy khi làm sạch sinh học nước thải, có độ chọn lọc cao đối với H2S:
ở 200C và 0,1 MPa, độ hòa tan H2S cao gấp 10 lần CO2; có thể tạo bọt nếu trong hệ
có hydrocarbon lỏng; khả năng mất mát cao do có áp suất hơi bão hòa cao, để giảm
thất thoát người ta rửa khí đã làm sạch bằng nước.
Quá trình Purizol được sử dụng để làm sạch thô và triệt để khí khỏi H2S và
CO2. Do tính chọn lọc cao của dung môi nên chúng có thể được sử dụng để sản xuất
lưu huỳnh. Phụ thuộc vào nồng độ H2S và CO2 cũng như mức độ làm sạch cần thiết,
quá trình có thể thực hiện trong các hệ thống một hoặc hai bậc. Việc tái sinh dung môi
thực hiện không cấp nhiệt bằng giảm áp suất nhiều bậc trong hệ thống.
1.2.2.2. Phương pháp hấp thụ hóa học.
a) Cơ sở lý thuyết.

Lăng Đức Trí

Page 12


Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn

Là quá trình hấp thụ có phản ứng hoá học xảy ra giữa cấu tử dung môi và cấu
tử dung chất .
Quá trình hấp thụ xảy ra ở áp suất cao và nhiệt độ , còn tái sinh chất hấp thụ thì
thực hiện ở áp suất thấp thường ở áp suất khí quyển và nhiệt độ cao .
Dung môi hấp thụ: dung dịch monoethanolamine (MEA), diethanolamine
(DEA), diglycolamine (DGA)…
 Ưu điểm:
• Cho phép làm sạch đến mức tinh H2S và CO2.
• Độ hòa tan hydrocarbon trong chất hấp thụ không cao.
• Công nghệ và thiết bị đơn giản.
 Khuyết điểm:
• Không làm sạch hòan tòan H2S, CO2, RSH, COS và CS2.
• Mức độ lọai mercaptan và các hợp chất lưu hùynh thấp.
• Mercaptan, COS, CS2 có thể tương tác với dung môi và không thể

hòan nguyên trong điều kiện phản ứng.
• Yêu cầu hệ số hồi lưu cao, chi phí nhiệt năng lớn.
• Có khả năng tạo chất gây ăn mòn cao.

Bảng 7: Đặc tính của các dung môi hấp thụ khí
Khối lượng phân tử
Khối lượng riêng(kg/m3)

Nhiệt độ sôi (oC) ở áp suất
110 Pa
660 Pa
1320 Pa
Áp suất hơi bão hoà (Pa) ở
20oC
Nhiệt độ đông đặc (oC)
Lăng Đức Trí

(2)

MEA
61
1018

DEA
105,1
1090

DIPA
133,2
989

DGA
105,1
1055

171
100
69

--187
150

248,7
167
133

221
-----

48

1,33

1,33

1,33

10,5

28

42

9,5

Page 13

Đồ án công nghệ hóa học

Độ nhớt tuyệt đối (Pa.s)
Độ hoà tan trong nước (%
KL) ở 20oC
Nhiệt hoá hơi (J/kg) ở
1.105 Pa

ThS. Nguyễn Văn Toàn
0,241

0,38

0,198
(ở
o
45 C)

(ở 20oC)

( ở 30oC)

Hoàn
toàn

96,4

87

1486,4

1205,9

722,5

0,026
(ở
24oC)
Hoàn
toàn
917,4

b) Các công nghệ diển hình.

Công nghệ làm ngọt khí bằng monoetanol amin (MEA) .
Trong quá trình hấp thụ hoá học: Người ta sử dụng dung dịch nước củacác
alkanol amin như: Quá trình làm ngọt khí bằng dietanol amin (DEA), dizopropanol
amin (ADIP), diglycolamin (DGA) và monoetanolamin (MEA)…
Trong đó đáng chú ý nhất là monoetanolamin (MEA).Phương pháp này được
sử dụng từ năm 1930, hiện nay được ứng dụng rấtrộng rãi. Để làm sạch khí tựnhiên
người ta dùng dung dịch MEA nồng độ 15÷ 20% trong nước.
Quá trình tương tác hóa học giữa CO2 và H2S với MEA:





2RNH2 + H2S
 (RNH3)2S
(RNH3)2S+ H2S

 2RNH3HS
CO2 + 2RNH2 + H2O
 (RNH3)2CO3
CO2 + (RNH3)2CO3 + H2O 2RNH3HCO3
•
•

R = -CH2-CH2-OH
Ở nhiệt độ thấp, phản ứng xảy ra theo chiều thuận.Ở nhiệt độ cao,
phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại.

•

Nồng độ dung dịch MEA thường ≤ 15÷20 % tt.

•

Mức bão hòa khí chua trong dung dịch khoảng 0,3÷0,4 mol/mol
MEA.

•

Được ứng dụng làm sạch dòng khí có áp suất riêng phần của khí
chua ≤ 0,6÷0,7 MPa.

Lăng Đức Trí

Page 14

Đồ án công nghệ hóa học
•

ThS. Nguyễn Văn Toàn

Quá trình hấp thụ H2S và CO2 bằng MEA xảy ra ở áp suất cao và
nhiệtđộ 25÷40oC, còn tái sinh chất hấp thụ MEA thực hiện ở áp
suất gần áp suấtkhí quyển và nhiệt độ trên 150oC. Sơ đồ nguyên
lý công nghệ hấp thụ làm sạch khí khỏi H 2S và CO2 bằng MEA
xem ở hình 2.

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý công nghệ hấp thụ bằng MEA (1)
1.Tháp hấp thụ;

9. Thiết bị trao đổi nhiệt;

2,3,4. Thiết bị phân ly;

10. Tháp nhả hấp thụ;

5,6. Thiết bị làm nguội bằng không khí;

11. Bộ phận đun nóng;

7,8. Thiếtbị làm lạnh bằng nước;
I. Khí nguyên liệu;

II. Khí sạch (khí ngọt);

III. Dung môi bão hòa;

IV. Khí phân ly;

V. Dung môi đã nhả hấp thụ một phần;
VI. Khí axit;VII. Dung môi đã tái sinh tuần hoàn trở lại tháp hấp thụ.
Thuyết minh lưu trình:
Khí nguyên liệu đựơc cho vào phần dưới của tháp hấp thụ 1, còn dung dịch làm
sạch monoetanolamin (MEA) đựơc tưới ngược chiều từ trên xuống. Khí và 1 ít dung
Lăng Đức Trí

Page 15


Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn

dich MEA có lẫn 1 ít H2S và CO2 bay ra khỏi đỉnh tháp và đi vào thiết bị phân li 2.
Khí ra khỏi đỉnh thiết bị phân li là khí sạch, còn dung dịch MEA có lẫn 1 ít H 2S và
CO2 sẽ hoàn lưu lại vào tháp hấp thụ 1. Dung dịch MEA hấp thụ H 2S và CO2 ( có lẫn
khí của hirocacbon như etan, propan..) được tháo ra ở đáy tháp đi vào thiết bị phân li
3, một phần nhỏ khí của Hyrocacbon nặng được thu hồi ở thiết bị phân ly 3. Còn dung
dịch MEA sẽ cho qua thiết bị trao đổi nhiệt 9 ( làm nóng ), rồi qua tháp nhả hấp thụ
10, H2S và CO2 có lẫn 1 ít dung dich MEA sẽ thoát ra ra khỏi đỉnh tháp, rồi làm lạnh
và cho qua thiết bị phân ly 4, H 2S và CO2 sẽ bay ra khỏi đỉnh, còn dung dich MEA
hoàn lưu trở tháp nhả hấp thụ 10. Dung dich MEA sẽ được tái sinh và lấy ra ở phía
dưới tháp 10. Một phần dung dịch thu hồi ở đáy tháp sẽ được cho qua bộ phận đun
nóng 11 quay lại tháp nhả hấp thụ 10 để truyền nhiệt. Phần còn lại cho qua thiết bị
TĐN và làm lạnh rồi hoàn lưu quay lại tháp hấp thụ 1.


Ưu điểm:
•
•
•
•



Độ biến thiên áp suất riêng phần của khí chua ban đầu rộng.
MEA dễ phản ứng, có độ bền hóa học cao, dễ hòan nguyên.
Công nghệ và thiết kế đơn giản.
Độ hòa tan hydrocarbon trong MEA thấp.

Khuyết điểm:
•

Mức bão hòa của dung dịch thấp.

•

Chi phí riêng chất hấp thụ và chi phí sản xuất cao.

•

Dung môi đã hấp thụ CO2, COS, CS2, HCN, SO2, SO3 khó hòan
nguyên  nếu trong khí có chứa COS và CS 2 thì không sử dụng
quá trình này.

•

Khả năng thu hồi mercaptan và các hợp chất lưu hùynh hữu cơ
kém.

•

Nếu trong hệ có hydrocarbon béo, sulfua sắt, thiosunfit, khả năng
tạo bọt của chất hấp thụ tăng  cần đưa thêm vào hệ chất chống
tạo bọt.

Lăng Đức Trí

Page 16


Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn

Công nghệ làm sạch khí bằng dung môi DEA .
Nồng độ dung dịch DEA phụ thuộc hàm lượng khí chua trong khí và mức bão
hòa khí chua trong dung dịch, ~ 20-30%kl:
•
•
•

Nồng độ khí chua 0,05-0,08 m3/l  DEA 20-25%.
Nồng độ khí chua 0,14-0,15 m3/l  DEA 25-27%.
Nồng độ khí chua 0,15-0,17 m3/l  DEA 27-30%.

Được ứng dụng làm sạch dòng khí có áp suất riêng phần của khí chua ≥ 0,2
MPa (DEA 25÷27%) hoặc ≥0,4 MPa (DEA 27÷30%).
Mức bão hòa dung dịch: 1÷1,3 mol/mol DEA.
 Ưu điểm:
•

Cho phép làm sạch đến mức tinh H2S và CO2 với sự hiện diện COS
và CS2.

•

Dung dịch DEA bền hóa học, dễ hòan nguyên .

•

Áp suất hơi bão hòa thấp nên độ mất mát thấp .

•

Công nghệ và thiết kế đơn giản .

•

Tiến hành ở nhiệt độ cao hơn quá trình dùng MEA 10÷200C.

•

Khả năng tạo bọt thấp đối với dòng khí có chứa thành phần
hydrocarbon nặng cao.

 Khuyết điểm:
•

Khả năng hấp thụ của dung môi thấp.

•

Chi phí riêng chất hấp thụ và chi phí sản xuất cao.

•

Có sự tương tác giữa CO2 (một phần) và HCN (hoàn toàn) với chất
hấp thụ tạo tàhnh hỗn hợp không hoàn nguyên được.

Lăng Đức Trí

Page 17


Đồ án công nghệ hóa học
•

ThS. Nguyễn Văn Toàn

Khả năng làm sạch mercaptan và hợp chất lưu huỳnh hữu cơ thấp .

Công nghệ làm sạch khí ADIP .
Dung môi hấp thụ: dung dịch nước diisopropanolamine (DIPA), nồng độ có thể
lên đến 40% .
Cho phép làm sạch tinh H2S đến 1,5 mg/m3; đồng thời làm sạch CO 2, COS,

RSR (có thể lọai bỏ 40÷50% COS và RSR) .
Họat độ dung dịch DIPA đối với CO2 thấp hơn so với MEA .
Khả năng tạo hợp chất gây ăn mòn thấp .
Sự phân hủy DIPA do tương tác với các hợp chất chứa S và O thấp hơn so với
quá trình dùng MEA .

Công nghệ làm sạch khí Econamin.
Được áp dụng khi nồng độ khí chua trong khí nguyên liệu khoảng 1,5÷8%.
Dung môi hấp thụ: dung dịch nước diglycolamine (DGA), với nồng độ khoảng
60÷65%kl .
Có thể làm sạch tinh H2S đến 5,7 mg/m3 .
Họat độ của DGA với CO2 cao hơn sới MEA .
Khả năng lọai CO2, COS, CS2, mercaptan cao; dễ hòan nguyên .
Mức bão hòa khí chua cao: 40÷50l khí chua/ l dung dịch.
Chi phí riêng chất hấp thụ và chí phí sản xuất thấp hơn 25÷40% so với quá
trình dùng MEA.
Khả năng mất mát dung môi thấp hơn so với MEA.
Khả năng gây ăn mòn và hòa tan hydrocarbon tương tự MEA và DEA.
Lăng Đức Trí

Page 18


Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn

Công nghệ làm sạch khí Stretford.
Dung môi hấp thụ: dung dịch lõang Na 2CO3, NaVO3, và ADA (anthraquinone
disulfonic acid).

Nguyên tắc: lọai bỏ H2S và thực hiện các phản ứng oxy hóa khử để thu S và tái
tạo chất oxy hóa.
Ưu điểm: dung dịch không ăn mòn.
Nhược điểm: khó thu hồi lưu hùynh, dễ gây nghẹt đường ống trong hệ thống.
Phương trình phản ứng:
H2S + Na2CO3= NaHS + NaHCO3
4 NaVO3 + 2 NaHS + H2O= Na2V4O9 + 4 NaOH + 2 S
Na2V4O9 + H2O + 2 ADA= 4 NaVO3 + 2 ADA

Công nghệ làm sạch khí bằng dung dịch K2CO3 nóng.
Dung môi hấp thụ: dung dịch loãng K2CO3 25÷35%.
Hấp thụ chọn lọc đối với H2S và CO2, độ hòa tan các lọai khí khác không đáng
kể.
Có khả năng tạo bọt nếu trong hệ chứa các hydrocarbon lỏng.
Quá trình thực hiện ở nhiệt độ cao 220÷4000F.
•
•

K2CO3 + CO2 + H2O = 2 KHCO3 + Q
K2CO3 + H2S
= KHCO3 + KHS + Q

Công nghệ hấp thụ bằng hỗn hợp etanol amin với etylen glycol .
Để làm sạch khí đồng thời khỏi H2S, CO2và nước, người ta ứng dụng hỗn hợp
etanol amin với etylen glycol.Việc làm sạch kết hợp như vậy đồng thời làm khan hoá
Lăng Đức Trí

Page 19

Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn

nguyên liệu và giảm lượng hơi nước cần thiết để tái sinh dung môi. Trên hình 2 là sơ
đồ công nghệ làm sạch khí tự nhiên bằng hỗn hợp etanol amin với etylen glycol. Quá
trình làm sạch được thực hiện trong tháp hấp thụ và các thiết bị phụ trợ.Tháp hấp thụ
và nhả hấp thụ cũng có cấu tạo như tháp sấy khí bằng glycol. Khi được dẫn vào từ
phần dưới của tháp,dòng khí chuyển động từ dưới lên, còn dung dịch làm sạch gồm có
etylen glycol và etanol amin được tưới ngược chiều từ trên xuống. Khí đã được làm
sạch được dẫn ra từ đỉnh tháp, còn dung dịch được hấp thụ H 2S và CO2được tháo ra ở
đáy tháp. Dung dịch này được dẫn qua bộ phận trao đổi nhiệt đốt nóng bằng hơi
nướcvà đưa vàogiữa tháp nhả hấp thụ, H 2S và CO2 giải phóng ra ở phía đỉnh tháp, còn
dung dịch hấp thụ đã tái sinh được lấy ra ở phía dưới.Một phần dung dịch đó được
đun nóng bằng hơi nướcvà quay lại tháp nhả hấp thụ để truyềnnhiệt, phần còn lại
đượclàm nguội vàtưới từ đỉnh tháp hấp thụ .
Khi nồng độ các tạp chất H 2S và CO2 cao hơn 2÷2,5% mol thì trướckhi dùng
etanolamin hấp thụ, người ta dùng các chất hấp thụ rẻ tiền nhưnước hoặc dung dịch
nước của Na2CO3, K2CO3 làm sạch khí sơ bộ, giảmnồng độ tạp chất tới 2÷2,5% mol,
sau đó mới dùng etanolamin làm sạchtiếp tới độ sạch yêu cầu nhỏ hơn 0,5% .
Sơ đồ quy trình công nghệ:

Hình 3. Sơ đồ làm sạch khí bằng dung dịch etanolamin và etylen glycol(1)
Lăng Đức Trí

Page 20


Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn

1. Tháp hấp thụ; 2. Tháp nhả hấp thụ; 3,4. Thiết bị đun sôi đáy tháp;
I. Khí vào; II. Khí sạch; III. Dung dịch MEA; IV. Dung dịch DEG;
V.Nước; VI. Khí axit (H2S, CO2)
1.2.3. So sánh.

Ưu nhược điểm của phương pháp hấp thụ hóa học:
• Ưu điểm: quá trình amin bảo đảm làm sạch triệt để khí H2S, CO2 với
áp suất và nồng độ làm việc của chúng trong khí ban đầu khác nhau.
Thiết bị và công nghệ đơn giản, bền.
• Nhược điểm: không tách dược toàn bộ H2S, CO2, RSH, COS và CS2,
mức đọ tách mercaptan và các hợp chất lưu huỳnh khác thấp. Khi các
chất trên tác dụng với chất hấp thụ sẽ tạo ra hợp chất bền , khó phân hủy
khi tái sinh chất hấp thụ trong điều kiện làm việc của quá trình.
Ưu nhược điểm của phương pháp hấp thụ vật lý:
• Ưu điểm: khi áp suất riêng phần của khí H2S,CO2, và các hợp chất lưu
huỳnh cao thì chi phí đầu tư và vận hành của công nghệ làm ngọt khí
dung môi vaaytj lý thấp hơn so với dung môi hóa học. Dung môi vậy lý
dùng lực hút vật lý để hấp thụ nên dễ tái sinh.
• Nhược điểm: các dung môi vật lý hấp thụ tương đối tốt các
hydrocacbon.
Kết luận: ta chọn phương pháp hấp thụ hóa học.
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN.
1.1. Các thiết bị chính trong dây chuyền.
1.1.1. Thiêt bị hấp thụ và nhả hấp thụ.
1.1.1.1. Tháp đệm.
a) Sơ đồ cấu tạo.
Cấu tạo gồm: thân tháp rỗng bên trong đổ đầy đệm làm từ vật liệu khác nhau
(gỗ, nhựa, kim loại, gốm,...) với những hình dạng khác nhau (trụ, cầu, tấm, yên ngựa,

lò xo,...); lưới đỡ đệm, ống dẫn khí và lỏng vào ra.

Lăng Đức Trí

Page 21


Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn

Hình 4. Sơ đồ cấu tạo tháp hấp thụ kiểu đệm.
Để phân phối đều lỏng lên khối đệm chứa trong tháp, người ta dùng bộ phận
phân phối dạng: lưới phân phối (lỏng đi trong ống – khí ngoài ống; lỏng và khí đi
trong cùng ống); màng phân phối, vòi phun hoa sen (dạng trụ, bán cầu, khe); bánh xe
quay (ống có lỗ, phun quay, ổ đỡ);...
Các đệm được đặc trưng bằng: đường kính d, chiều cao h, bề dày δ. Đối với
đệm trụ, h = d chứa được nhiều phần tử nhất trong 1 đơn vị thể tích.
Khối đệm được đặc trưng bằng các kích thước: bề mặt riêng a (m2/m3); thể
tích tự do ε (m3/m3); đường kính tương đương d(tđ) = 4r(thủy lực) = 4.S/n = 4 ε/a;
tiết diện tự do S (m2/m3).
Khi chọn đệm cần lưu ý: thấm ướt tốt chất lỏng; trở lực nhỏ, thể tích tự do và
và tiết diện ngang lớn; có thể làm việc với tải trọng lớn của lỏng và khí khi ε và S lớn;

Lăng Đức Trí

Page 22


Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn

khối lượng riêng nhỏ; phân phối đều lỏng; có tính chịu ăn mòn cao, rẻ tiền, dễ kiếm...
Để làm việc với chất lỏng bẩn nên chọn đệm cầu có khối lượng riêng nhỏ.

Nguyên lý hoạt động:
Chất lỏng chảy trong tháp theo đệm dưới dạng màng nên bề mặt tiếp xúc pha
là bề mặt thấm ướt của đệm.
Tháp đệm làm việc ngược chiều có các chế độ thủy động lực sau:
+ Chế độ màng OA: khi mật độ tưới không lớn, tốc độ khí nhỏ, chất lỏng chảy
thành màng theo bề mặt đệm, khí đi ở khe giữa các màng.
+ Chế độ hãm AB: từ A tăng tốc độ khí sẽ làm tăng ma sát của dòngkhí với bề
mặt lỏng và kìm hãm sự chảy của màng lỏng, lượng lỏng giữ lại trong đệm tăng.
Khi tăng tốc độ khí làm tăng xoáy đảo màng lỏng trên đệm nên tăng cường
quá trình truyền khối.
+ Chế độ nhũ tương BC: Khí-lỏng tạo thành hệ nhũ tương không bền 2 pha
liên tục-gián đoạn của khí-lỏng đổi vai trò cho nhau liên tục, làm tăng bề mặt tiếp
xúc pha và cường độ truyền khối lên cực đại, đồng thời trở lực thủy lực cũng tăng
nhanh; chế độ này duy trì rất khó mặc dù cường độ truyền khối lớn.
+ Chế độ cuốn theo: quá giới hạn sặc, nếu tăng tốc độ khí, toàn bộ chất lỏng
sẽ bị giữ lại trong tháp và cuốn ngược trở ra theo dòng khí.
Hiệu ứng thành thiết bị (channeling effect)
+Chất lỏng có xu hướng chảy từ tâm ra thành thiết bị, gây giảm hiệu suất do
tiếp xúc pha kém. Khắc phục bằng cách:
+ Nếu chiều cao đệm lớn hơn 5 lần đường kính đệm thì chia đệm thành từng
đoạn; giữa các đoạn đệm đặt bộ phận phân phối lại chất lỏng.
+ Chọn d/Φ = đường kính đệm/đường kính tháp = 1/15 – 1/8.
+ Xếp đệm: nếu d < 50mm: đổ lộn xộn,d > 50mm: xếp thứ tự
+ Tưới lỏng và phun khí ngay từ đầu.

b) Ưu – nhược điểm - ứng dụng:

Ưu: cấu tạo đơn giản; trở lực theo pha khí (hoạt động ở chế độ màng/quá độ)
nhỏ.
Lăng Đức Trí

Page 23


Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn

Nhược:
hoạt động kém ổn định, hiệu suất thấp; dễ bị sặc; khó tách nhiệt,
khó thấm ướt.
Ứng dụng:
+ dùng trong các trường hợp năng suất thấp: tháp hấp thụ khí, tháp chưng cất,...
+ dùng trong các hệ thống trở lực nhỏ (như hệ thống hút chân không,...).
1.1.1.2. Tháp đĩa.
a) Sơ đồ cấu tạo:

Tháp đĩa thường cấu tạo gồm thân hình trụ thẳng đứng, bên trong có đặt các
tấm ngăn (đĩa) cách nhau một khoảng nhất định. Trên mỗi đĩa hai pha chuyển động
ngược hoặc chéo chiều:lỏng từ trên xuống (hoặc đi ngang), khí đi từ dưới lên hoặc
xuyên qua chất lỏng chảy ngang; ở đây tiếp xúc pha xảy ra theo từng bậc là đĩa.Tùy
thuộc cấu tạo của đĩa chất lỏng trên đĩa có thể là khuấy lý tưởng hay là dòng chảy qua.
Tháp đĩa có ống chảy chuyền: bao gồm tháp đĩa, chóp, lỗ, xupap, lưới,...Trên
đĩa có cấu tạo đặc biệt để lỏng đi từ đĩa trên xuống đĩa dưới theo đường riêng gọi là
ống chảy chuyền, đĩa cuối cùng ống chảy chuyền ngập sâu trong khối chất lỏng đáy

tháp tạo thành van thủy lực ngăn không cho khí (hơi hay lỏng) đi theo ống lên đĩa
trên.
Pha khí (hơi hay lỏng) xuyên qua các lỗ, khe chóp, khe lưới,hay khe xupap sục
vào pha lỏng trên đĩa. Để phân phối đều chất lỏng người ta dùng tấm ngăn điều chỉnh
chiều cao mức chất lỏng trên đĩa.
Tháp đĩa không có ống chảy chuyền: khi đó khí (hơi hay lỏng) và lỏng đi qua
cùng một lỗ trên đĩa.

Lăng Đức Trí

Page 24


Đồ án công nghệ hóa học

ThS. Nguyễn Văn Toàn

Hình 5. Sơ đồ cấu tạo tháp hấp thụ loại đĩa
b) Ưu – nhược điểm và ứng dụng:

Tháp đĩa lỗ: ưu điểm là kết cấu khá đơn giản, trở lực tương đối thấp, hiệu suất
khá cao. Tuy nhiên không làm việc được với chất lỏng bẩn, khoảng làm việc hẹp hơn
tháp chóp (về lưu lượng khí).
Tháp chóp : có thể làm việc với tỉ trọng của khí, lỏng thay đổi mạnh, khá ổn
định. Song có trở lực lớn, tiêu tốn nhiều vật tư kim loại chế tạo, kết cấu phức tạp. Nói
chung tháp chóp có hiệu suất cao hơn tháp đĩa lỗ, tháp xupap: dùng trong chưng cất
dầu mỏ.

Lăng Đức Trí

Page 25