Chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp

Đồ án Môn học

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

MỞ ĐẦU
Ngành dầu khí nước tuy là một ngành mới hình thành và phát triển
được hơn 20 năm nhưng đã có những đóng góp ngày càng to lớn về nhiều
mặt cho sự phát triển của đất nước. Đặc biệt là sự ra đời của ngành công
nghiệp chế biến dầu khí. Đây là một trong những tiền đề quan trong hàng
đầu và là nguồn nguyên liệu chủ yếu để phát triển nhiều ngành công nghiệp
mới.
Cùng với quá trình khai thác dầu thô, thì nghành công nghiệp dầu khí
đã hình thành từ năm 1995 và hiện đang phát triển một cách mạnh mẽ. Trên
đất nước ta hiện nay đã triển khai xây dựng nhiều chương trình về khai thác
và chế biến khí vào năm 2002 đã cung ứng kịp thời chho sản xuất công
nghiệp và tiêu dùng gần 147 000 tấn condensate và 349 000 tấn PLG thay
thế cho hàng nhập khẩu.
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật từ khí tự nhiên và khí
đồng hành người ta đã sản xuất ra nhiều sản phẩm khác nhau như: rượu,
axeton, andehyt, NH3, chất dẻo sợi, phân bón, dầu nhờn, chất tẩy rửa tổng
hợp … và là nguồn nguyên liệu cho các ngành như: mỹ phẩm, công nghiệp,
in, dệt may…phục vụ nhiều cho công nghiệp và đời sống của nhân dân.
Chính vì những lợi ích to lớn mà nghành dầu khí nói chung và ngành
chế biến khí nói riêng đem lại thì việc đầu tư và phát triển công nghiệp
ngành công nghiệp mũi nhọn này là một đi đúng hướng của đảng và nhà
nước ta nhằm thúc đẩy kinh tế và cải thiện đời sống nhân dân.
Trong phạm vi đồ án này ta chỉ nghiên cứu phương pháp chế biến khí
bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp vì phương pháp này vừa đơn giản
mà cho hiệu quả cao, và có tính khả thi nhất.
Sinh viên: Lê Xuân Long

1

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

Đồ án này gồm 5 phần:
Phần I: Mở đầu.
Phần II: Tổng quan.
- Cơ sở hóa lý của quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp.
- Tổng quan về công nghệ.
Phần III: Tính toán thiết kế.
- Cân bằng vật chất.
- Cân bằng nhiệt lượng.
Phần IV: Thiết kế công nghệ.
Phần V: Kết luận.

Sinh viên: Lê Xuân Long

2

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

CHƯƠNG I:

Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí bằng ngưng
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 được khai thác từ các mỏ khí với
thành phần chủ yếu là metan (chiếm 98% thể tích). Những mỏ khí tự nhiên
là những túi khí nằm sâu dưới mặt đất. Khí đồng hành được khai thác từ các
mỏ dầu đồng thời với quá trình khai thác dầu thô .Trong thành phần của khí
đồng hành ngoài cầu từ chính là metan còn có etan, propan, butan, và các
hydrocacbon nặng chiếm một hàm lượng đáng kể và phạm vi thay đổi thành
phần của các cấu tử này trong một khoảng khá rộng. Ngoài ra trong thành
phần khí tự nhiên và khí đồng hành còn có H2O, H2S và các hợp chất chứa
lưu huỳnh CO2, N2, và Heli.
Người ta còn tiến hành phân loại khí dựa vào hàm lượng các
hydrocacbon từ propan trở lên. Trong đó khí chứa trên 150g/m 3 các cấu từ
propanbutan và các hydrocacbon nặng được gọi là khí béo. Khí này được
ứng dụng chế tạo xăng khí, khí hóa lỏng (LPG) và nguồn hydrocacbon cho
công nghệ tổng hợp hữu cơ. Còn khí chứa dưới mức 50g/m 3 các
hydrocacbon nặng được gọi là khí gầy. Và ứng dụng làm nhiên liệu cho công
nghiệp và đời sống, làm nguyên liệu cho công nghệ tổng hợp hữu cơ , sản
xuất phân đạm.
Ở Việt Nam hiện nay người ta đã phát hiện được rất nhiều mỏ khí và
trữ lượng khí hàng năm đạt được khoảng 1300 tỷ m 3 khí .Dưới đây là một số

mỏ khí của Việt Nam.

Sinh viên: Lê Xuân Long

3

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

Bảng1: Thành phần khí ở bể Cửu Long.
Mỏ Bạch Hổ
Thành
phần
Metan(C1)
Etan (C2)
Propan(C3)
Butan(C4)
Condensat
N2
CO2
H2S

Rồng(lô 09)
khí tự do
đồng hành

(lô 09)
76,82
11,87
5,980
1,040
0,320
0,500
1,000
-

84,77
7,220
3,460
1,700
1,300
-

Rạng đông

Ruby

(lô 09)

(lô 01)

76,54
6,890
8,250
0,780

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
Chưa 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

Sinh viên: Lê Xuân Long

4

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

Trước đây trên thế giới nguồn khí thu được thường bị đốt bỏ hoặc chờ
được sử dụng như là một nhiên liệu để đốt .Điều này gây ra sự lãng phí vừa
làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường xung quanh bởi lẽ trong khí tự
nhiên và khí đồng hành ngoài việc là một nhiên liệu tốt thì từ khí tự nhiên
và khí đồng hành ta còn thu được các chất hydrocacbon và phi hydrocacbon
làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác . Do vậy trong những năm
gần đây rất nhiều nước trên thế giới đặc biệt là những nước phát triển đã
đầu tư và phát triển ngành công nghiệp chế biến khí cụ thể
ở Nga và các nước công nghiệp phát triển đã sử dụng hợp lý nguồn
hydrocacbon mang lại nguồn lợi to lớn bởi vì metan là thành phần chính có
trong khí tự nhiên được dùng làm nhiên liệu cho lò nung và nồi hơi. Ngoài
ra etan , propan ,butan và các hydrocacbon nặng còn được dùng cho công
nghiệp tổng hợp hữu cơ.
ở Mỹ, từ etan đã chế biến 40% etylen phục vụ cho sản xuất nhựa tổng hợp,
oxit etylen, chất hoạt động bề mặt , nhiều sản phẩm và bán sản phẩm hóa
học khác. Ngoài ra từ khí tự nhiên và khí đồng hành , sau khi làm sạch và
chế biến khí người ta còn nhận được một lượng lớn lưu huỳnh ,heli và một
số sản phẩm vô cơ khác phục vụ cho nhiều ngành kinh tế quốc dân. Mỹ và
Canada là một trong hai nước đứng đầu về sản xuất heli, một trong những
sản phẩm quan trọng nhất trong công nghệ nghiên cứu vũ trụ, nghiên cứu kỹ

thuật thâm lạnh , sắc ký...
ở các nước Tây âu, sau khi tìm ra các mỏ khí tự nhiên lớn đã tăng cường
sự quan tâm đến các nguyên liệu nhiệt phân nhẹ .
Trong những năm gần đây các nước Trung đông (Iran, Arapxeut,
Beren...) dự định hoàn thành chương trình về khai thác , chế biến và vận

Sinh viên: Lê Xuân Long

5

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

chuyển khí đồng hành với tổng giá trị khoảng 33 tỉ USD . Người ta nghĩ
rằng điều này cho phép xuất khẩu khoảng 46 triệu tấn PLG mỗi năm.
Riêng ở Việt Nam ngành dầu khí nước ta tuy mới hình thành và phát
triển nhưng với tiềm năng về khí khá phong phú thì đây là một tiền đề quan
trọng để ngành công nghiệp này phát triển hơn. Cho đến nay Việt Nam đang
khai thác 6 mỏ dầu và 1 mỏ dầu khí, hình thành 4 cụm khai thác dầu quan
trọng:
• Cụm mỏ thứ nhất : nằm ở vùng đồng bằng Bắc Bộ gồm nhiều mỏ
khí nhỏ , trong đó có Tiền Hải “C”, trữ lượng khoảng 250 m3/khí , đã bắt đầu
khai thác từ tháng 12 năm 1981với trên 450 triệu m 3/khí phục vụ cho công
nghiệp địa phương và là nguồn nguyên liệu cho công nghiệp khí ở các tỉnh
phía Bắc.

•Cụm mỏ thứ hai: thuộc vùng biển Cửu Long, gồm chứa 4 mỏ dầu :
Bạch Hổ, Rồng, Rạng Đông, Rubi là cụm quan trọng nhất hiện nay , cung
cấp trên 96% sản lượng dầu toàn quốc.
• Cụm mỏ thứ ba: ở vùng biển Nam Côn Sơn gồm mỏ dầu Đại Hùng
đang khai thác và các mỏ khí đã phát hiện ở khu vực xung quanh là Lan Tây,
Lan Đỏ, Hải Thạch, Mộc Tinh và mỏ dầu khí Rồng Đôi Tây … đang chuẩn
bị đưa vào khai thác .
. Cụm mỏ thứ tư : tại thềm lục địa Tây Nam bao gồm mỏ Bungakclwa
-Các nước đang khai thác dầu mỏ BungaOrkid, Bunga parkma, Bunga Rây
tại khu vực thỏa thuận thương mại Việt Nam – Malaysia là khu khai thác và
cung cấp khí lớn thứ hai và sẽ là cơ sở đảm bảo sự phát triển khu công
nghiệp dầu khí ở Cà Mau – Cần Thơ .

Sinh viên: Lê Xuân Long

6

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

Với tiềm năng về khí khá phong phú như vậy , Viêt Nam có nhiều
điều kiện phát triển công nghiệp khai thác và chế biến khí thúc đẩy mạnh
hơn nền kinh tế và đưa đất nước ta lên một tầm cao mới.

CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ BIẾN KHÍ TỰ NHIÊN

VÀ KHÍ ĐỒNG HÀNH

II.1.Phương pháp chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ
Tiến hành chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ ở nhiệt độ thấp từ
-25oC - -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 tiếp theo hỗn hợp khí được đưa sang bộ phân tách khí lúc này một
phần hydrocacbon đã ngưng tụ được tách ra.
Sau khi được nén và làm lạnh thì hỗn hợp khí bằng hai phần:
+ Phần ngưng tụ (gọi là condesat) của bậc nén và làm lạnh.Khí đồng
hành được bơm từ thùng chứa qua bộ phận trao đổi nhiệt sang cột tách etan.
Tại đó phân đoạn chứa metan và etan được tách ra. Sau đó benzin lá phần
ngưng tụ đã tách metan và etan qua thiết bị trao đổi nhiệt vào bình chứa, từ
đó nó được đưa đị chế biến tiếp.
Phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp để tách bezin từ khí đồng hành là
phương pháp rất tốn kém, để thực hiện được cần có thiết bị làm lạnh phức
tạp. Tuy nhiên do sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản, mà hiệu quả tách

Sinh viên: Lê Xuân Long

7

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

benzin ra khỏi hỗn hợp khí khá cao, triệt để nên phương pháp này được ứng
dụng rộng rãi trong công nghiệp chế biến khí.

II.2. Chế biến khí bằng phương pháp hấp thụ
Ngoài chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ thì người ta còn áp
dụng phương pháp hấp thụ để chế biến khí. Trong đó hấp thụ và giải hấp thụ
là hai quá trình chuyển biến khối cơ bản được sử dụng để tách khí thiên
nhiên và khí đồng hành.
Quá trình này được thực hiện là nhờ sự hình

thành cân bằng pha giữa

hai pha khí lỏng do sự khuyếch tán của các chất từ pha nọ sang pha kia,
Động lực của quá trình khuyếch tán là sự chênh lệch áp suất riêng phần giữa
các cấu từ trong pha lỏng và pha khí. Nếu áp suất riêng phần của các cấu tử
trong pha khí lớn hơn pha lỏng thì sẽ xảy ra quá trình hấp thụ (tức chất lỏng
hấp thụ chất khí).
Nếu ngược lại thì sẽ xảy ra quá trình hầp thụ và nhả hấp thụ được thực
hiện trong các tháp hấp thụ và các tháp chưng luyện có cấu tạo kiểu tháp đĩa
hoặc tháp đệm, chất hấp thụ được dùng ở đây là các phân đoạn benzin
kerosene, hoặc hỗn hợp của chúng.

II.3.Chế biến khí bằng phương pháp chưng cất
Sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp được thực hiện quá trình tách các cấu từ
định trước hiệu quả hơn sơ đồ hấp thụ nhiệt độ thấp (HNI) và thiết bị chế
tạo cũng đơn giản hơn. Khác nhau về mặt nguyên lý giữa hai sơ đồ CNT

và NTT là ở chỗ nguyên liệu đi vào thiết bị sau khi làm lạnh (không có sự
tách sơ bộ mà được đưa thẳng vào tháp chưng. Tại đó xảy ra sự phân tích
riêng biệt khí nguyên liệu thành khí khô(thoát ra từ đỉnh tháp) và phân
đoạn hydrocacbon nặng .
Sinh viên: Lê Xuân Long

8

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

Phụ thuộc vào sơ đồ nguyên lý của quá trình chưng cất nhiệt độ thấp,
thiết bị cơ bản của sơ đồ là tháp chưng được chia thành chưng bốc hơi và
tháp ngưng tụ – bốc hơi
CHƯƠNG III:CƠ SỞ HÓA LÝ CỦA QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ
NHIỆT ĐỘ THẤP

III.1.Khái niệm về quá trình ngưng tụ
Ngưng tụ là quá trình chuyển khí hoặc hơi sang trạng thái lỏng bằng
cách làm lạnh khí hoặc nén làm lạnh khí đồng thời.
Có hai phương pháp để tiến hành quá trình ngưng tụ :
+ Quá trình ngưng tụ gián tiếp: (hay còn gọi là ngưng tụ bề mặt )
tức là quá trình tiến hành trong thiết bị trao đổi nhiệt có tường ngăn cách
giữa khí và tác nhân làm lạnh đi ngược chiều nhau . Tác nhân làm lạnh
cho đi từ dưới lên để tránh dòng đối lưu tự nhiên cản trở quá trình chuyển

động của lưu thể. Khí đi từ trên xuống để chất lỏng ngưng tụ chảy dọc
xuống tự do và dễ dàng.
+Quá trình ngưng tụ trực tiếp (hay còn gọi là ngưng tụ hỗn hợp) Quá
ttrình này tiến hành bằng cách cho khí và tác nhân làm lạnh tiếp xúc trực
tiếp với nhau. Tác nhân làm lạnh được phun trực tiếp vào trong khí sau
đó ngưng tụ lại thành lỏng do vậy thiết bị ngưng tụ trực tiếp thường
không đặt giá trị phân chia cao . Nên chất lỏng ngưng tụ sẽ trộn lẫn với
tác nhân làm lạnh.

III.2.Đặc điểm của quá trình ngưng tụ
Quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp có thể được coi là quá trình làm
lạnh đẳng áp (nếu ta bỏ qua một vài tổn thất áp suất khi khí chuyển động

Sinh viên: Lê Xuân Long

9

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

trong ống và thiết bị công nghệ) cho tới nhiệt độ tương ứng và áp suất đó
thì xuất hiện pha lỏng.
Khí đồng hành và khí tự nhiên là một hỗn hợp bao gồm nhiều cấu từ
do đó qúa trình chuyển pha và các vùng tới hạn của chúng khác nhau nhiều
so với qúa trình tương ứng với điểm đó là nhiệt độ và áp suất tới hạn. Khi

nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ tới hạn thì chất đó sẽ tồn tại ở trạng thái một
pha. Khi đó dù có thay đổi của bất kì tổ hợp các thông số nào thì cũng không
thể đưa chất đó về trạng thái hai pha được vì vậy muốn hóa lỏng khí ta chỉ
được phép tiến hành nhiêt độ tới hạn.
Ví dụ :
Nhiệt độ tới hạn của CH4 là Tc = 190,55K nhưng với nhiệt độ môi trường
là Tmt = 298K thì Tc < Tmt. Do đó nếu nén khí ở nhiệt độ môi trường thì
cho dù có tăng áp suất tới 500 atm thì CH 4 cũng không hóa lỏng, khi đó
ta chỉ thu được khí CH4 nén. Vậy để hóa lỏng CH4ta phải hạ nhiệt độ của
CH4 xuống khoảng 111K (dưới nhiệt độ sôi của CH 4 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
phương pháp nén chỉ thực hiện được khi hạ nhiệt độ khí đó xuống dưới nhiệt
độ tới hạn.
III.3. Quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp trong chế biến khí đồng hành
Trong hỗn hợp khí đồng hành có thành phần các hydrocacbon khác nhau
như:CH4, C2H6…Do vậy tương ứng sẽ có các nhiệt độ ngưng tụ khác nhau,
do đó quá trình làm lạnh sẽ xảy ra như saucoi lai)
+ Khi giảm nhiệt độ của hỗn hợp khí thì đến một lúc nào đó của hỗn hợp
khí sẽ bắt đầu ngưng tụ(tương ứng với áp suất riêng phần trong hỗn hợp khí)
lớn nhất. Nếu như các cấu tử được phân bố đều trong hỗn hợp ban đầu. Thì
Sinh viên: Lê Xuân Long

10

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

các cấu tử có nhiệt độ ngưng tụ

lớn nhất sẽ ngưng tụ đầu tiên. Khí

hydrocacbon có đăc điểm quan trọng là: chúng hòa tan trong các
hydrocacbon lỏng, do đó khi chuyển sang pha lỏng không chỉ có các cấu tử
khác có nhiệt độ tới hạn thấp hơn cả nhiệt độ của hỗn hợp tại thời điểm đó.
Ví dụ:
Hỗn hợp có 10% mol CH 4 có 90%mol C6H14 trong ống dẫn khí có thể
ngưng tụ hoàn toàn khi làm lạnh đến 10 oC với P = 2MPa. Mặc dù nhiệt độ
tới hạn của CH4 là Tc = -82,6oC. Nhưng khi có mặt propan nó vẫn chuyển
sang pha khí.
Trong quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp , quá trình làm lạnh khí chỉ diễn
ra tới khi đạt được mức độ ngưng tụ định mức của pha hơi (trong hỗn hợp
khí ban đầu) được xác định bằng mức độ tách cần thiết các cấu tử chủ yếu ra
khỏi hỗn hợp . Điều này đạt được nhờ nhiệt độ làm lạnh cuối cùng hoàn
toàn xác định ( tức phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp, áp suất của hệ).
Nhiệt độ này tạo được bằng cách cung cấp cho quá trình một lượng nhiệt
lạnh cần thiết.
-Cùng một mức độ ngưng tụ ( của hỗn hợp khí ban đầu ) có thể đạt được
bằng những tổ hợp các giá trị nhiệt độ và áp suất khác nhau . Khi tăng áp
suất trong hệ tức là tăng áp suất riêng phần của từng cấu tử, mức độ ngưng
tụ nhiệt độ không đổi sẽ tăng lên và quá trình này cũng sẽ xảy ra tương tự
làm lạnh đẳng áp .
- Mức độ ngưng tụ các hydrocacbon khi tiến hành trong quá trình đẳng áp và
trong quá trình đẳng nhiệt. Tuy nhiên, qúa trình ngưng tụ của hai trường hợp
này lại khác nhau. Cụ thể trường hợp đẳng nhiệt thì mức độ ngưng tụ tăng

nhưng sự phân tách các cấu tử hydrocacbon kém. Ngược lại đối với quá
trình đẳng áp.
Sinh viên: Lê Xuân Long

11

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

Vậy: Việc lựa chọn các thông số tối ưu cho quá trình ngưng tụ nhiệt độ
thấp phụ thuộc vào thành phần ban đầu của hỗn hợp khí nguyên liệu, mức độ
phân tích cấu tử chính định trước là rất quan trọng.

Sinh viên: Lê Xuân Long

12

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

CHƯƠNG IV: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN BẰNG
PHƯƠNG PHÁP NGƯNG TỤ NHIỆT ĐỘ THẤP.

IV.1.Các thiết bị chính có trong qúa trình chế biến bằng phương
hip ngưng tụ nhiệt độ thấp.
Nhìn chung sơ đồ công nghệ trong các quá trình chế biến khí theo phương
pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp rất đa dạng và phong phú. Theo mỗi một
phương pháp thì ta có các thiết bị khác nhau. Tuy nhiên , trên cơ bản thì tất
cả các quy trình đều có những cụm thiết bị chính như sau:
+ Bộ phận lọc khí nó có tác dụng: để tách các giọt lỏng và những tạp chất
cơ học. Trước khi khí được đưa vào chế biến, thiết bị này hoạt động theo
nguyên tắc như: cơ học , hóa học hay điện trường.
+ Thiết bị sấy khí và tách ẩm: ở thiết bị này có tác dụng tách lượng ẩm có
trong khí. Nguyên nhân hơi nước có thể bị ngưng tụ lại trong các hệ thống
thiết bị công nghệ chế biến khí sau này.Thiết bị này có thể hoạt động theo
nguyên tắc như: hấp thụ, hấp phụ…
+ Hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt tuần hoàn: Thiết bị này có tác dụng tận
dụng được các nguồn nhiệt lạnh, nhiệt nóng của các dòng sản phẩm. Thiết bị
này có thể hoạt động theo: loại gián tiếp, trực tiếp hay loại đệm.
+Thiết bị phân ly hỗn hợp hai pha.
+ Tháp tách etan.
Nếu như sơ đồ Ngưng tụ nhiệt độ thấp (NNT) được dùng với mục đích thu
được C2 và phân đoạn cao thì sau tháp khử metan ta có thêm tháp tách etan
(C2H6) thương phẩm. Trong sơ đồ NNT có cụm thiết bị gồm: nguồn nhiệt
lạnh, máy phân ly tạo nên một bậc phân ly.
IV.2 Phân loại các sơ đồ công nghệ.

Sinh viên: Lê Xuân Long

13

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

Để chế biến khí theo phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp (NNT) có rất
nhiều sơ đồ công nghệ khác nhau. Và ta có thể phân chia chúng dựa vào một
số đặc điểm sau đây:
+Theo số loại phân ly cơ bản
+ Theo loại nguồn nhiệt lạnh
+Theo loại sản phẩm cuối.
Theo đó ta có sơ đồ phân loại công nghệ chế biến khí sau đây:

Phân Loại

Bậc tách

Kiểu nguồn lạnh

Cách đưa SP ra

Bậc
1

Sinh viên: Lê Xuân Long

Bậc
2

14

Bậc
3

Chu trình
LL ngoài

Chu trình
LL trong

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

Chu trình LL
Tổ hợp

Một tác
nhân làm
Lạnh

Sinh viên: Lê Xuân Long

Tác nhân
Làm lạnh
tổ hợp

15

Nhiều tác
nhân làm
lạnh

Nhóm I:
có sự kết
hợp với
TL lỏng

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

Nhóm II: có
Sự kết hợp
với giãn nỏ
khí

Sinh viên: Lê Xuân Long

16

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

Theo mỗi kiểu phân chia thì ta có 13 sơ đồ tiêu biểu sau:
+Sơ đồ NNT một bậc
+Sơ đồ NNT có tách sơ bộ etan
+Sơ đồ NNT có chu trình làm lạnh dùng tác nhân lạnh hỗn hợp
+Sơ đồ NNT một bậc có chu trình làm lạnh ngoài bằng propan và etan để
nhân C>2
Sinh viên: Lê Xuân Long

17

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

+Sơ đồ công nghệ nhà máy chế biến khí ở Tây Virginia (Mỹ)

+Sơ đồ Thiết bị NNT 3 giai đoạn
+Sơ đồ nhà máy chế biến khí sử dụng tubin giãn nở khí
+Sơ đồ chế biến khí ở nhà máy San – Antonio (bang Texas, Mỹ)
+Sơ đồ nguyên lý thiết bị NNT có tuabin giãn nở khí.
+Sơ đồ NNT một bậc để nhận C3có chu trình làm lạnh tổ hợp.
+Sơ đồ NNT hai bậc để nhận C>3 có chu trình làm lạnh tổ hợp.
+Sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp để nhận C>3 có chu trìng làm lạnh tổ hợp.
+Sơ đồ công nghệ nhà máy chế biến khí ở Siligson (Mỹ).

IV. 3. Phân tích lựa chọn thiết bị để tính toán thiết kế
IV.3.1. Đánh giá công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ
nhiệt độ thấp.
Trong công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ
thấp.Dựa vạo số bậc tách, kiểu nguồn lạnh và cách đưa sản phẩm ra thì ta có
các sơ đồ công nghệ chế biến khí khác nhau. Theo đó mỗi một loại công
nghệ ta đều có những ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng khác nhau.
Để hiểu hơn ta đi xét một số sơ đồ công nghệ chế biến khí bằng phương
pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp.
IV.3.1.a Sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp (NNT) có chu trình làm lạnh ngoài
*Đặc điểm sơ đồ công nghệ:
Vì sơ đồ công nghệ này sử dụng chu trình làm lạnh ngoài nên không
phụ thuộc vào sơ đồ công nghệ có tác nhân làm lạnh đặc biệt. Tùy thuộc vào
dạng tác nhân làm lạnh mà chu trình làm lạnh ngoài có thể được chia thành
hai nhóm:
Nhóm một tác nhân làm lạnh và nhóm nhiều tác nhân làm lạnh và chu trình
làm lạnh ngoài có ứng dụng hai hay nhiều tác nhân làm lạnh gọi là chu trình
Sinh viên: Lê Xuân Long

18

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

làm lạnh bậc thang. Đây là sơ đồ công nghệ được ứng dụng một cách rộng
rãi.
a)Sơ đồ NNT một bậc để nhận C≥3 có chu trình làm lạnh với tác nhân làm
lạnh hỗn hợp
Hình 8- Sơ đồ NNT có chu trình làm lạnh hỗn hợp

*Nguyên tắc hoạt động:
Khí đồng hành được nén tới áp suất 3,7 MPa đi vào thiết bị làm mát
bằng không khí qua thiết bị trao đổi nhiệt 3, thiết bị bay hơi tác nhân làm
lạnh hỗn hợp 7 và được làm lạnh đến nhiệt độ-60°C. Hỗn hợp 2 pha tạo
thành được tách ở tháp tách 10. Khí khô sau khi truyền nhiệt lạnh ở thiết bị 6
và được dẫn vào giữa tháp tách etan 11. Sau khi tách từ tháp tách etan 11
khí sau khi truyền lạnh trong thiết bị 3 được đưa đi sử dụng, phân đoạn chứa

Sinh viên: Lê Xuân Long

19

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

các hydrocacbon được tháo ra ở đáy tháp 11 sau khi truyền nhiệt trong thiết
bị 9.
Một phần condesat từ tháp phân tích 10 có thể được đưa đi để tạo hỗn
hợp tác nhân làm lạnh. Nó được gia nhiệt trong thiết bị 9 bằng sản phẩm của
tháp 11 đến 20oC – 45oC Một phần được bay hơi và tách khí trong tháp tách
8 qua van tiết lưu 14 giảm áp suất tới 0,118- 0,125 MPa, hòan toàn được bay
hơi và đưa máy nén 4 có chu trình lạnh và từ đó nó trở thành tác nhân làm
lạnh.
b) Sơ đồ NNT một bậc để nhận C≥2 có chu trình làm lạnh bằng propan và
etan

*Nguyên tắc hoạt động:
Đặc điểm của sơ đồ này là có hai nguồn lạnh: Chu trình làm lạnh bằng
propan và chu trình làm lạnh bằng etan.
Theo sơ đồ công nghệ này thì khí được làm lạnh liên tục và một phần
được ngưng tụ trong thiết bị làm mát bằng không khí 3, thiết bị trao đổi nhiệt

Sinh viên: Lê Xuân Long

20

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

6 Bộ phận bay hơi propan 7, thiết bị trao đổi nhiệt và bộ phận bay hơi 9 chưa
có sự tách pha lỏng. Điều đó cho phép thực hiện tốt hơn những điều kiện cần
thiết để tách etan, bởi vì etan trong pha lỏng của các hydrocacbon nặng tốt
hơn. Do đó tăng tổng số etan tách ra được ở bậc sau.
Đặc điểm thứ hai của sơ đồ có tháp tách etan và tháp tách metan để được
sản phẩm C≥2 . Nhiệm vụ của tháp tách metan là tách toàn bộ metan ra khỏi
phân đoạn chứa hydrocacbon C≥2 .Tháp tách metan làm việc trong điều kiện
p =3,5 - 4,0MPa; Nhiệt độ T = 3,5 oC – 4,0oC. Nhiệt độ đáy tháp tách metan
thường được duy trì : T = 20 – 60 oC ; số đĩa trong tháp tách metan từ 20 25 đĩa
c)Sơ đồ NNT ba bậc để nhận C≥3 với chu trình làm lạnh bằng propan

Sinh viên: Lê Xuân Long

21

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

*Nguyên tắc hoạt động: Với sơ đồ ba bậc có chu trình làm lạnh ngoàI bằng
propan ; trong đó propan được bay hơi trên mỗi bậc theo các đường đẳng
nhiệt khác nhau.
Ở bậc ngưng tụ thứ nhất, khí đưa vào được làm lạnh đến nhiệt độ trung

gian nào đó cao hơn nhiệt độ ở bậc ngưng tụ tiếp theo. Sau đó hỗn hợp hai
pha tạo thành được tách riêng pha lỏng và pha hơi. Pha hơi đưa vào ngưng tụ
nhiệt độ thấp ở bậc thứ hai . ở đây khí được làm lạnh thấp hơn bậc đầu tiên
nhưng cao hơn nhiệt độ ngưng tụ ở bậc thứ ba.Sau đó pha lỏng và pha hơi
lần nữa lại được tách riêng. Pha hơi đưa vào ngưng tụ nhiệt độ thấp ở bậc
thứ ba, ở đó hơi ngưng tụ đến nhiệt độ đã chọn và trở thành hai pha lỏng và
hơi. Pha lỏng tách ra sau mỗi bậc ngưng tụ được đưa vào tháp tách etan.
Sơ đồ NNT một bậc và nhiều bậc có những ưu điểm và nhược điểm riêng.
Với quá trình ngưng tụ một bậc thứ lượng lỏng tạo ra nhiều hơn so với nhiều
bậc nhưng trong phần lỏng của một bậc chứa nhiều cấu tử nhẹ, tức là độ
chọn lọc của quá trình ngưng tụ một bậc thấp hơn. Điều đó dẫn đến tăng
lượng nhiêt mất mát do các sản phẩm nhẹ metan và etan. Tuy nhiên với sơ
đồ nhiều bậc vốn, kinh phí bỏ ra nhiều.
* Ưu điểm công nghệ: do công nghệ sử dụng chu trình làm lạnh ngoài nên
không phụ thuộc vào sơ đồ công nghệ và thiết bị đơn giản , vốn đầu tư ít, dễ
dàng triển khai.
*

Nhược điểm công nghệ: công nghệ này có độ chọn lọc không cao do

năng lượng tiêu tốn nhiều để ngưng tụ các cấu tử nhẹ dễ sôi, để khắc phục
nhược điểm này ta có các công nghệ NNT có chu trình làm lạnh ngoài nhiều
bậc cho độ phân chia cao.

Sinh viên: Lê Xuân Long

22

Đại Học Bách khoa Hà Nội

Đồ án Môn học

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

* Phạm vi ứng dụng của sơ đồ công nghệ: công nghệ này ứng dụng đối với
hỗn hợp khí có độ phân tách các cấu tử chính không lớn,năng suất công
nghệ cao.
IV.3.1.2 Sơ đồ công nghệ NNT có chu trình làm lạnh trong.
*Đặc điểm của sơ đồ công nghệ:
Trong quá trình chế biến khí tự nhiên thì thiết bị làm lạnh bằng
tuôcbin sử dụng năng lượng ở các vỉa khai thác khí.Còn khi chế biến khí
đồng hành thì khí được nén sơ bộ tạo một áp suất nhất định trước thiết bị
làm lạnh tuôcbin.
Thông thường trong sơ đồ sử dụng chu trình làm lạnh trong . Ngoài việc
làm lạnh khí đã tách xăng còn sử dụng cả tiết lưu dòng lỏng. Điều này cho
phép thu được một lượng nhiệt lạnh cần thiết.
a)Sơ đồ điển hình của một nhà máy chế biến khí có tuabin giãn nở khí.
Hình 11- Sơ đồ nhà máy chế biến khí sử dụng tuabin giãn nở khí/145)

Sinh viên: Lê Xuân Long

23

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

*Sơ đồ nhà máy loại này gồm các công đoạn chính sau:
- Công đoạn nén khí ban đầu khi chế biến khí đồng hành.
- Sấy khí.
- Công đoạn tái sinh lạnh và nhiệt của các dòng khí ngược chiều nhau.
- Công đoạn tách khí áp suất cao.
- Công đoạn giãn nở khí bằng tuabin có tách khí áp suất thấp.
- Tách metan ra các hydrocacbon nặng C

≥ 2

,tách etan của condensate nếu

nhận etan và các hydrocacbon nặng C ≥ 3.
- Nén khí khi đến áp suất cần thiết để đưa vào đường ống dẫn.
b) Sơ đồ NNT hai bậc để tách C

>3

có tuabin giãn nở khí , tiết lưu dòng

chất lỏng:
Hình 12-Sơ đồ chế biến khí ở nhà máy San Antinio/145

* Nguyên tắc hoạt động:
Khí có áp suất 5,2 MPa vào tháp tách 1, tại đây những giọt chất lỏng
được tách ra khỏi khí . Sau khi ra khỏi tháp tách, khí vừa được làm lạnh sẽ

Sinh viên: Lê Xuân Long

24

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Đồ án Môn học

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

được dẫn đến tháp tách 5. Trước khi vào các thiết bị trao đổi nhiệt, người ta
bơm metanol vào khí. Trong tháp tách 3 pha 5, methanol bão hòa các
hydrocacbon ngưng tụ và khí được tách riêng. Dung dịch metanol trong
nước được tái sinh trong tháp 7 các hydrocacbon ngưng tụ được đưa từ tháp
tách 5 vào bộ phận thổi gió 8 ở đây áp suất giảm xuống 1,8 MPa , nhiệt độ
condensat giảm xuống -84oC. Khí tạo thành nhờ sự tiết lưu này từ tháp 8
được dẫn vào đường ống dẫn khí khô, còn condensate qua thiết bị trao đổi
nhiệt vào phần giữa của tháp tách etan 10, giảm đến 1,8 MPa , sau đó được
dẫn vào tháp tách 9 ở trên đỉnh của tháp 10.Khí từ tháp 9 sau khi truyền
nhiệt ở 3 va 4 được máy nén đến áp suất 2,1 MPa , máy nén nối với một trục
của tuabin 6, phân đoạn chứa các hydrocacbon nặng được tháo ra từ đáy
tháp tách etan 10 .
* Ưu điểm công nghệ:
- ở công nghệ này chỉ có một nguồn lạnh duy nhất là tuabin giãn nở khí.
Điều này đảm bảo tách triệt để hơn các cấu tử theo yêu cầu định trước như:
etan, propan hay hydrocacbon nặng .
- Ngoài ra việc sử dụng tuabin giãn nở : có khả năng tự động hóa hoàn
toàn có thể xây dung sơ đồ chế biến khí thích hợp cho những mỏ khai thác

khác nhau. Do vậy giảm nhẹ được khối lượng công việc xây lắp trực tiếp hệ
thống thiết bị .
_ Với công nghệ này thì tổng hợp được các ưu điểm của hai quá trình công
nghệ đó là: NNT có chu trình làm lạnh ngoại nhiều làm lạnh tổ hợp cụ thể :
công nghệ có chu trình làm lạnh trong vừa cho độ phân tách cao và cho phép
làm việc ở nhiệt độ làm lạnh sâu.
* Nhược điểm: Thiết bị công nghệ với chu trình làm lạnh trong thường cồng
kềnh, phức tạp, vốn đầu tư lớn.
Sinh viên: Lê Xuân Long

25

Đại Học Bách khoa Hà Nội