đồ án công nghệ thiết kế tháp hấp phụ hơi nước cho dòng khí Nam Côn Sơn

TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
KHOA DẦU KHÍ
BỘ MÔN LỌC – HÓA DẦU
---- // ----

ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CỤM LÀM KHAN KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP
PHỤ CHO DÒNG KHÍ TỪ ĐƯỜNG ỐNG NAM CÔN SƠN

Giảng viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

TS.DƯƠNG CHÍ TRUNG

Nguyễn Phúc Hồng

03PPR110010

Tống Ngọc Quân

03PPR110018

Nguyễn Hùng Vương 03PPR110030
Chuyên ngành: Lọc – Hóa Dầu
Lớp: K3LHD (2013 – 2018)

Bà Rịa – Vũng Tàu, tháng 5/2017

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

Phần đánh giá:
Điểm bằng số:

/10

Điểm bằng chữ:

Bà Rịa - Vũng Tàu, ngày…… tháng …. năm 2017
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

i


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………....……………………

Phần đánh giá:
Điểm bằng số:

/10

Điểm bằng chữ:

Bà Rịa - Vũng Tàu, ngày…… tháng …. năm 2017

GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

ii


TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
KHOA DẦU KHÍ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Họ và tên SV:

Nguyễn Phúc Hồng

03PPR110010

Tống Ngọc Quân

03PPR110018

Nguyễn Hùng Vương

03PPR110030

Chuyên ngành: Lọc - Hóa Dầu
Lớp: K3-LHD
1.Tên đồ án môn học: Thiết kế cụm làm khan khí bằng phương pháp hấp phụ cho dòng

khí từ đường ống Nam Côn Sơn
2. Nhiệm vụ:
 Nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu:
Lưu lượng khí thiên nhiên: 6.106 stm3/ ngày
Nhiệt độ: 440C
Áp suất: 8000 kPa
Thành phần khí thiên nhiên (theo % thể tích):
CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C5+

N2

CO2

H2 S

84,75

5,25

3,06

1,07

0,15

0,08

5,64

0

Các số liệu khác: tự chọn
 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
 Tổng quan (lý thuyết, công nghệ)
 Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng
 Tính toán thiết kế tháp hấp phụ (đường kính, chiều cao, trở lực)
 Kết luận
 Sơ đồ công nghệ và sơ đồ tháp hấp phụ
3. Ngày giao đồ án: 3/3/2017
4. Ngày hoàn thành đồ án: 26/5/2017
5. Họ và tên người hướng dẫn: TS. Dương Chí Trung

iii


Bà Rịa - Vũng Tàu, ngày tháng năm 2017
TRƯỞNG KHOA

TRƯỞNG BỘ MÔN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên)

iv


TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA DẦU KHÍ
Độc lập – Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN MÔN HỌC
(Mẫu của người phản biện)
Tên đề tài: Thiết kế cụm làm khan khí bằng phương pháp hấp phụ cho dòng khí từ
đường ống Nam Côn Sơn
Họ và tên SV:

Nguyễn Phúc Hồng

03PPR110010

Tống Ngọc Quân

03PPR110018

Nguyễn Hùng Vương

03PPR110030

Chuyên ngành: Lọc - Hóa Dầu

Khóa: 2013-2018

Lớp: K3-LHD
I. PHẦN NHẬN XÉT:
1) Về hình thức và kết cấu đồ án môn học:

2) Về nội dung:
2.1. Nhận xét phần tổng quan tài liệu:
2.2. Nhận xét về phương pháp nghiên cứu:
2.3. Nhận xét về kết quả đạt được:
2.4. Nhận xét phần kết luận:
2.5. Những thiếu sót và tồn tại của đồ án môn học:
(Đề nghị quý Thầy Cô ghi chi tiết và chuyển cho bộ môn)
II. ĐIỂM:

(ghi bằng chữ)

(Đề nghị quý Thầy Cô đánh máy rõ ràng, đầy đủ các tiêu chí nêu trên)

Bà Rịa - Vũng Tàu, ngày tháng năm 2017
NGƯỜI PHẢN BIỆN

v


TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
KHOA DẦU KHÍ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN MÔN HỌC
(Mẫu dành cho GVHD)
Tên đề tài: Thiết kế cụm làm khan khí bằng phương pháp hấp phụ cho dòng khí từ
đường ống Nam Côn Sơn
Họ và tên SV:

Nguyễn Phúc Hồng

03PPR110010

Tống Ngọc Quân

03PPR110018

Nguyễn Hùng Vương

03PPR110030

Chuyên ngành: Lọc - Hóa Dầu

Khóa: 2013-2018

Họ và tên của GVHD:
i.

Nhận xét về tinh thần thái độ làm việc và nghiên cứu của SV

ii.

Nhận xét về kết quả:

iii.

Những tồn tại nếu có:

Bà Rịa - Vũng Tàu, ngày

tháng

năm 2017

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

vi


LỜI CẢM ƠN
Nhóm đồ án công nghệ xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới quý thầy cô giáo
của bộ môn Lọc - Hóa Dầu và đặc biệt là TS. Dương Chí Trung đã hướng dẫn chúng em
thực hiện đồ án hết sức nhiệt tình và tâm huyết để nhóm có thể hoàn thành đồ án này.
Trong quá trình thực hiện đồ án, nhóm đồ án không thể tránh khỏi những sai sót do hạn
chế về kiến thức cũng như việc tham khảo tài liệu. Chúng em rất mong nhận được
những ý kiến đóng góp quý báu của thầy cô giáo để nhóm có thể hoàn thiện đồ án hơn.

vii

MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................. 1
DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ............................................................................... 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT......................................................................... 3
1.1 Mở đầu ........................................................................................................................ 3
1.1.1 Khí đồng hành và khí không đồng hành.............................................................. 3
1.1.2 Tác hại của nước trong khí thiên nhiên ............................................................... 4
1.2 Cơ sở lý thuyết............................................................................................................ 5
1.2.1 Một số khái niệm cơ bản ..................................................................................... 5
1.2.2 Hàm ẩm của khí ................................................................................................... 5
1.3 Một số phương pháp làm khan khí ............................................................................. 6
1.3.1 Hấp thụ ................................................................................................................ 7
1.3.2 Hấp phụ ............................................................................................................. 12
1.3.2.1 Khái niệm ................................................................................................... 12
1.3.2.2 Các chất hấp phụ ........................................................................................ 13
1.3.2.3 Lựa chọn chất hấp phụ ............................................................................... 20
1.3.2.4 Hệ thống làm khan khí bằng phương pháp hấp phụ ................................... 21
1.3.2.5 Phân tích và lựa chọn công nghệ ................................................................ 22
1.4 Sử dụng chất ức chế tạo thành hydrate ..................................................................... 25
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG HẤP PHỤ......................................................... 29
2.1. Tính toán cân bằng vật chất ..................................................................................... 29
2.2. Tính toán và thiết kế tháp hấp phụ .......................................................................... 41
2.3 Cân bằng năng lượng ................................................................................................ 52
KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 65
PHỤ LỤC ........................................................................................................................... 66


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Thành phần phổ biến của khí không đồng hành .................................................. 3
Bảng 1.2: Thành phần phổ biến của khí đồng hành ............................................................. 4
Bảng 1.3: Tính chất của các chất hấp thụ ............................................................................. 8
Bảng 1.4: Các phương pháp làm khan khí ......................................................................... 12
Bảng 1.5: Tính chất của các chất hấp phụ .......................................................................... 16
Bảng 1.6: Các loại kích thước zeolite thường dùng trong hấp phụ .................................... 18
Bảng 1.7: Nhiệt độ điểm sương đạt được của các chất ...................................................... 20
Bảng 1.8: Thứ tự truyền khối xảy ra trong bed hấp phụ .................................................... 23
Bảng 1.9: Tính chất của các chất ức chế methanol và MEG .............................................. 27
Bảng 2.1: Thành phần khí đầu vào ..................................................................................... 29
Bảng 2.2: Tóm tắt kết quả tính toán cân bằng .................................................................... 41
Bảng 2.3: Hằng số B,C cho các loại rây phân tử ................................................................ 51
Bảng 2.4: Tóm tắt kết quả tính toán tháp hấp phụ ............................................................. 51
Bảng 2.5: Tóm tắt nhiệt độ quá trình giải hấp .................................................................... 54
Bảng 2.6: Giá trị nhiệt động cho các chất .......................................................................... 55
Bảng 2.7: Tóm tắt kết quả tính toán cân bằng nhiệt lượng ................................................ 63

1


DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Nhiệt độ đông đặc của các dung dịch glycol khác nhau ...................................... 9
Hình 1.2: Sự phụ thuộc nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp khí .......................................... 10
Hình 1.3: Sơ đồ công nghệ quá trình glycol dehydration................................................... 10
Hình 1.4: Silica-gel ............................................................................................................. 15
Hình 1.5: Nhôm oxit hoạt tính ............................................................................................ 15
Hình 1.6: Than hoạt tính ..................................................................................................... 15
Hình 1.7: Cấu trúc tinh thể zeolite loại A và zeolite loại X ............................................... 18
Hình 1.8: Sơ đồ làm khan khí bằng phương pháp hấp phụ sử dụng 2 tháp ....................... 21
Hình 1.9: Hoạt động trong tháp hấp phụ ............................................................................ 23

Hình 1.10: Sơ đồ công nghệ của hệ thống làm khan khí 3 tháp hấp phụ ........................... 24
Hình 1.11: Cấu trúc của các tinh thể hydrate ..................................................................... 25
Hình 1.12: Sơ đồ công nghệ sử dụng chất ức chế tạo thành hydrate ................................. 27
Hình 2.1: Đồ thị hàm lượng nước trong khí ngọt ............................................................... 30
Hình 2.2: Đồ thị tỉ lệ hàm lượng nước trong khí chua và khí ngọt .................................... 31
Hình 2.3: Đồ thị nhiệt độ tạo thành hydrate của khí thiên nhiên ....................................... 32
Hình 2.4: Đồ thị hệ số nén z của khí thiên nhiên ............................................................... 33
Hình 2.5: Độ nhớt của khí thiên nhiên ............................................................................... 34
Hình 2.6: Đường cong cân bằng tĩnh các chất hấp phụ...................................................... 35
Hình 2.7: Tính chất nhiệt động cho rây phân tử 4A ........................................................... 36
Hình 2.8: Đường cong hấp phụ của rây phân tử ................................................................ 38
Hình 2.9: Mô tả sơ lược quá trình hấp phụ......................................................................... 42
Hình 2.10: Truyền khối trong vùng cân bằng .................................................................... 47
Hình 2.11: Nhiệt độ tái sinh cho chất hấp phụ 4A ............................................................. 53
Hình 2.12: Chiều dày vỏ tháp thiết kế ................................................................................ 55

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1 Mở đầu
1.1.1 Khí đồng hành và khí không đồng hành
Khí đồng hành và khí không đồng hành được khai thác từ các mỏ trong lòng đất là hỗn
hợp của nhiều hydrocarbon, ngoài ra còn có thành phần khác như CO2, H2S, N2, He,… số
lượng và hàm lượng thay đổi trong khoảng rộng.
Trong khí không đồng hành, thành phần chủ yếu là khí CH4 (có thể chiếm trên 90% thể
tích), giảm dần nồng độ parafin hydrocarbon theo thứ tự phân tử lượng từ thấp đến cao.
Trong điều kiện đầu giếng khoan, khí thiên nhiên bão hòa hơi nước. Các mỏ khí không
đồng hành là các túi khí nằm sâu trong lòng đất. Bảng 1.1 mô tả thành phần phổ biến của
khí không đồng hành trên thế giới (TLTK 4).

Bảng 1.1: Thành phần phổ biến của khí không đồng hành
Methane

CH4

70-90%

Ethane

C2H6

Propane

C3H8

Butane (n,i)

C4H10

0-20%

Carbon dioxide

CO2

0-8%

Oxygen

O2

0-0,2%

Nitrogen

N2

0-5%

Hydrogen Sulphide

H2 S

0-5%

Khí hiếm

He, Ne, Xe

Vết

Khí đồng hành được nhận từ các mỏ dầu cùng với quá trình khai thác dầu mỏ, có thể ở
dạng hòa lẫn với dầu thô hoặc tạo thành không gian phía trên lớp dầu thô trong mỏ.
Thành phần những cấu tử cơ bản của khí đồng hành thay đổi trong một phạm vi khá rộng
tùy thuộc vào mỏ đang khai thác như bảng 1.2 (TLTK 4).
3


Bảng 1.2: Thành phần phổ biến của khí đồng hành
Methane

CH4

30-80%

Ethane

C2H6

10-26%

Propane

C3H8

7-22%

Butane (n,i)

C4H10

4-7%

Condensate

C5+

1-3%

1.1.2 Tác hại của nước trong khí thiên nhiên

Sự có mặt của hơi nước trong khí thiên nhiên thường do quá trình tiếp xúc nước và
dầu/khí ở vỉa trong quá trình khoan, khai thác khí và do điều kiện quá trình chế biến như
làm ngọt khí bằng DEA, MDEA… Thông thường, các khí chứa nhiều hydrocarbon nặng
ở cùng điều kiện sẽ có hàm lượng hơi nước thấp hơn các khí chứa nhiều hydrocarbon nhẹ.
Sự tồn tại của H2S và CO2 trong khí thiên nhiên làm tăng hàm lượng nước, ngược lại, khí
chứa nhiều N2 lại làm giảm nồng độ của nước.
Sự có mặt của hơi nước gây ra nhiều tác hại như sau:
 Hydrate hóa với hydrocarbon, các hydrate này có khả năng tạo mạng tinh thể bền
vững vì bản chất của chúng là các dung dịch rắn, dung môi là các phân tử nước có
liên kết hydro còn các hydrocarbon thâm nhập vào mạng lưới tạo mạng tinh thể
bền vững, chúng có thể bịt kín đường ống, van gây khó khăn trong việc vận
chuyển và làm sai lệch các kết quả đo.
 Trong khí thiên nhiên có hàm ẩm lớn, đặc biệt có CO2 và H2S trong thành phần khí
sẽ gây ăn mòn trong đường ống và thiết bị, làm giảm tuổi thọ thiết bị sử dụng.
 Nếu khí có độ ẩm lớn dùng làm nhiên liệu có thể gây ngưng tụ tạo hai pha khí-lỏng
trong đường ống dẫn đến việc phát triển thành nút hơi và xảy ra sự cố ở vòi đốt.
 Tăng thể tích khí, thiết bị lưu trữ và làm giảm nhiệt trị của khí.
4


 Giảm hoạt tính và làm hỏng xúc tác cho các quy trình tiếp theo.
 Đông đặc trong các quá trình chế biến lạnh.
1.2 Cơ sở lý thuyết
1.2.1 Một số khái niệm cơ bản
Làm khan khí là quá trình tách hơi nước ra khỏi khí, có nghĩa là làm giảm độ ẩm tuyệt đối
và độ ẩm tương đối. Thường thì kết quả của quá trình làm khan khí được biểu thị từ điểm
sương (Dew point). Có thể thực hiện làm khan khí theo các phương pháp khác nhau: làm
lạnh trực tiếp, hấp thụ, hấp phụ, dùng chất ức chế tạo thành hydrate…
Điểm sương của một khối khí ở áp suất cố định là nhiệt độ mà hơi nước trong khối khí đó
ở trạng thái bão hòa, hay hơi ẩm có trong khí bắt đầu ngưng lại thành những giọt lỏng.

Độ hạ nhiệt độ điểm sương là chênh lệch nhiệt độ điểm sương giữa khí ẩm và khí khô sau
khi làm khan khí. Khi đến nơi tiêu thụ, nhiệt độ điểm sương của khí khô cần phải thấp
hơn vài độ so với nhiệt độ thấp nhất mà khí có thể bị làm lạnh trong quá trình vận chuyển
nhằm tránh hiện tượng ngưng tụ hơi ẩm và tạo khối nước trong đường ống.
1.2.2 Hàm ẩm của khí
Khí đồng hành và khí không đồng hành được khai thác từ các mỏ dưới lòng đất luôn bão
hòa hơi nước. Hàm lượng hơi nước chứa trong hỗn hợp khí phụ thuộc vào áp suất, nhiệt
độ và thành phần khí, tại mỗi giá trị áp suất và nhiệt độ có thể xác định được hàm ẩm tối
đa của khí. Hàm ẩm tương ứng với trạng thái khí bão hòa hơi nước được gọi là hàm ẩm
cân bằng hay còn gọi là độ ẩm cân bằng.
Độ ẩm bão hòa là độ ẩm tương ứng với trạng thái bão hòa hơi nước của khí.
Độ ngậm nước của khối khí là khối lượng hơi nước ở trạng thái bão hòa trong khí đó ở
điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định.

5


Để biểu diễn hàm lượng hơi nước có trong khí, người ta sử dụng 2 khái niệm: độ ẩm tuyệt
đối và độ ẩm tương đối.
 Độ ẩm tuyệt đối: là lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích hoặc một
đơn vị khối lượng khí (được biểu diễn bằng g/m3 hoặc g/kg khí).
 Độ ẩm tương đối: là tỉ số giữa khối lượng hơi nước thực tế có trong khí và
lượng hơi nước bão hòa có thể có trong khí đấy ở cùng điều kiện nhiệt độ và
áp suất, tức là tỉ lệ giữa độ ẩm tuyệt đối với độ ngậm nước của khối khí.
Nếu giảm nhiệt độ bão hơi nước còn áp suất không đổi, thì một phần hơi
nước ngưng tụ được gọi là điểm sương của khí ẩm tại áp suất đã cho.
Hàm ẩm của khí phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ của hệ và thành phần hỗn hợp khí. Có
nhiều phương pháp xác định hàm ẩm của khí, trong đó các phương pháp phổ biến là:
 Sử dụng áp suất và thành phần pha lỏng-hơi.
 Sử dụng các đường cong thực nghiệm về sự phụ thuộc của hàm ẩm vào

nhiệt độ và áp suất.
 Hiệu chỉnh các đường cong trên khi có mặt của H2S, CO2, N2.
 Sử dụng phương trình trạng thái P-V-T.

1.3 Một số phương pháp làm khan khí
Phương pháp đơn giản để tách hơi nước là làm lạnh khí đến nhiệt độ dưới nhiệt độ điểm
sương của hỗn hợp khí. Hơi nước sẽ bị ngưng tụ và tách khỏi khí dưới dạng những hạt
sương. Nhưng trong đó đa số trường hợp nếu làm lạnh là chưa đủ và khó điều khiển.
Hiện nay có khá nhiều phương pháp làm khan khí nhưng phổ biến nhất là hấp thụ, hấp
phụ và sử dụng chất ức chế tạo thành hydrate.

6


1.3.1 Hấp thụ
Hấp thụ là quá trình các tiểu phân bị khuếch tán và đi xuyên qua bề mặt phân tách pha
vào trong lòng chất lỏng.
Các chất hấp thụ khí phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
 Có khả năng hấp thụ hơi nước trong khoảng rộng của nồng độ, áp suất, nhiệt độ.
 Có áp suất hơi bão hòa thấp để mất mát trong quá trình là ít nhất.
 Nhiệt độ sôi khác nhiệt độ sôi của nước để có thể tách nước (dễ dàng giải hấp để
tái sinh chất hấp thụ).
 Độ nhớt thấp để đảm bảo tiếp xúc tốt với hỗn hợp khí trong thiết bị hấp thụ, thiết
bị trao đổi nhiệt.
 Có độ chọn lọc cao với các cấu tử có mặt trong khí, nghĩa là có khả năng hấp thụ
hơi nước cao, đồng thời khả năng hòa tan thấp các hydrocarbon trong khí.
 Tính ăn mòn kém.
 Khả năng tạo bọt kém khi tiếp xúc với dòng khí.
 Có độ bền nhiệt và độ bền oxy hóa cao.
 Không độc hại cho người làm việc, không gây ô nhiễm môi trường.

 Giá thành rẻ.
Những chất thỏa mãn các yêu cầu trên được sử dụng phổ biến là glycerin, các glycol như
ethylene glycol (EG), diethylene glycol (DEG), triethylene glycol (TEG), propylene
glycol (PG)… EG được sử dụng trong công nghiệp đầu tiên vào năm 1936.

7


Bảng 1.3: Tính chất của các chất hấp thụ
Tên gọi

Khối

Nhiệt

Độ

Nhiệt

Nhiệt

Tỷ

lượng

độ sôi

nhớt

độ tái

độ

trọng

sinh

nóng

mol

0

C

(cP)

(tại 760

(0C)

mmHg)

(g/cm3)

chảy
(0C)

EG

62,1

197

16,9

165

-13,4

1,110

DEG

106,1

245

35,7

164,4

-9

1,113

TEG

150,2

288

49

206

-4,3

1,119

TETRAEG

194,2

329

58,3

220

-4

1,112

Bảng 1.3 so sánh một số tính chất giữa các chất hấp thụ glycol (hình 20-50, TLTK 3).
Phương pháp hấp thụ khí được sử dụng rộng rãi hơn cả vì sơ đồ thiết bị đơn giản, dễ tính
toán thiết kế và vận hành, quá trình liên tục nên có thể tự động hóa.
Một trong những tính chất quan trọng của glycol là có khả năng giảm nhiệt độ đông đặc
của nước trong dung dịch. Tính chất này cho phép các dung dung dịch glycol có thể làm
chất hấp thụ ngay cả ở nhiệt độ âm. Trên hình 1.1(đồ thị 20-52, TLTK 3) là các đường

cong nhiệt độ đông đặc của các dung dịch glycol tại các nồng độ khác nhau.

8


Hình 1.1: Nhiệt độ đông đặc của các dung dịch glycol khác nhau
So với DEG và TEG, dung dịch EG có nhiệt độ đông đặc thấp, độ nhớt thấp và khả năng
ngăn ngừa tạo thành hydrate cao nhất, nhưng độ hòa tan của các hydrocarbon trong EG
cao hơn và áp suất hơi cao hơn do khả năng mất mát trong quá trình làm việc, vì vậy EG
ít được sử dụng. DEG so với TEG có ưu điểm là độ hòa tan hydrocarbon thấp và khả
năng tạo bọt kém. Ở áp suất cao người ta hay dùng DEG vì có độ chọn lọc cao. Độ hòa
tan khí thiên nhiên trong TEG cao hơn 25 đến 30% so với DEG. TEG có áp suất hơi thấp
hơn DEG nên mất mát trong quá trình làm việc ít hơn.
Hình 1.2 (đồ thị 20-48 và 20-49, TLTK 3) biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ điểm sương
của khí vào nồng độ dung dịch DEG, TEG và nhiệt độ. Từ giản đồ này ta thấy rằng dung
dịch DEG nồng độ 95% khi tiếp xúc với khí ở nhiệt độ 200C có khả năng giảm nhiệt độ
điểm sương tới -50C, còn dung dịch 98% ở cùng nhiệt độ có khả năng giảm nhiệt độ điểm
sương tới -130C. Như vậy nồng độ glycol càng cao, mức độ làm khan khí càng cao, tức là
khí sau khi làm khan có nhiệt độ điểm sương càng thấp.

9


Hình 1.2: Sự phụ thuộc nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp khí
Trong 4 loại glycol, TEG thích hợp nhất để sấy khí. Quy trình sử dụng TEG được gọi tắt
là glycol dehydration.

Hình 1.3: Sơ đồ công nghệ quá trình glycol dehydration

10

Quá trình làm khan khí bằng cách hấp thụ được mô tả ở hình 1.3 (sơ đồ 20-58, TLTK 3)
như sau:
Dòng khí ẩm (wet gas) sẽ đi vào thiết bị hấp thụ nước bằng glycol. Dòng khí sản phẩm
(dry gas) sau khi được làm khô khí sẽ được đi ra từ đỉnh tháp. Dòng rich glycol sẽ được
trao đổi nhiệt ở tháp giải hấp glycol sau đó sẽ được đi vào flash tank để phân tách khí và
lỏng. Các khí trơ sẽ được tách ra ngoài, dòng glycol bên dưới sẽ được gia nhiệt sau đó đi
qua bộ lọc (filter) để tách các cặn tạp chất muối rồi đi vào tháp giải hấp. Dòng glycol sau
khi được làm sạch sẽ được hạ nhiệt độ quay trở lại tháp hấp thụ nước.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quy trình:
 Áp suất: yếu tố chính quyết định thiết kế của tháp hấp thụ (lượng dung môi tiêu
tốn, năng lượng bơm tuần hoàn …). Nếu tăng áp suất thì làm giảm lượng ẩm trong
không khí, làm giảm lượng dung môi sử dụng để đạt tới nhiệt độ điểm sương cần
thiết.
 Nhiệt độ: yếu tố quyết định hệ số kinh tế - kỹ thuật của quá trình. Nếu nhiệt tăng
cao sẽ làm tăng áp suất riêng phần của hơi nước dẫn đến tăng nhiệt độ điểm sương
và tiêu tốn nhiều glycol để hấp thụ hơn. Nếu thiệt độ thấp thì làm tăng khả năng
hấp thụ nước nhưng độ nhớt của glycol cũng tăng dẫn đến việc khó tuần hoàn dung
dịch.
 Quy trình glycol thông thường hoạt động ở điều kiện: 160C < T < 380C.
 Nồng độ glycol: glycol càng tinh khiết thì độ hạ nhiệt độ điểm sương càng lớn, quá
trình hấp thụ diễn ra càng hiệu quả.
 Tạp chất: H2S và CO2 gây độc cho người vận hành và ô nhiễm môi trường.

11


1.3.2 Hấp phụ
1.3.2.1 Khái niệm

Hấp phụ là sự tích lũy các chất trên bề mặt phân cách các pha (thường là khí-rắn), chất có
bề mặt xảy ra sự hấp phụ gọi là chất hấp phụ, còn chất tích lũy trên bề mặt gọi là chất bị
hấp phụ.
Tách nước bằng glycol hay sử dụng chu trình lạnh với chất ức chế tạo hydrate được áp
dụng nhiều nhất cho quá trình làm khan khí tự nhiên để thu được khí có đủ điều kiện kỹ
thuật yêu cầu. Phương pháp hấp phụ (Solid bed dehydration) thường là lựa chọn tối ưu
trong quá trình làm khan khí để hạ nhiệt độ điểm sương xuống dưới -40oC. Bảng 1.4
(trang 409, TLTK 2) đưa ra sự so sánh giữa các phương pháp làm khan khí.
Bảng 1.4: Các phương pháp làm khan khí
Tách nước bằng glycol

Chu trình lạnh với MEG

Hấp phụ

Độ hạ nhiệt độ điểm sương

Độ hạ nhiệt độ điểm sương

Độ hạ nhiệt độ điểm sương

tới 40-50oC

tới 60-70oC

tới hơn 80oC

Nhiệt độ điểm sương dưới

Nhiệt độ điểm sương có thể

Nhiệt độ điểm sương dưới

-40oC

đạt -40oC

-100oC

Yêu cầu áp suất cao, hệ

Yêu cầu hệ thống làm lạnh,

Hấp phụ ở áp suất cao, yêu

thống tái sinh nhỏ, có

hệ thống tái sinh nhỏ, có

cầu van đảo chiều và tái

BTEX và khí thải acid

BTEX và khí thải acid

sinh bằng gia nhiệt

Chỉ sử dụng khi cần đáp

Thường được sử dụng khi

Đa chức năng, có thể tách

ứng nhiệt độ điểm sương

đáp ứng chỉ số HDCP và

cả hydrocarbon hay lưu

không quá thấp

yêu cầu hệ thống làm lạnh

huỳnh

(TEG)

12


Các ứng dụng khi sử dụng phương pháp hấp phụ:
 Tách nước để nhiệt độ điểm sương thấp hơn -40oC, như là yêu cầu đầu vào
của quá trình tách NGL sử dụng máy nén và sản xuất LNG.
 Điều chỉnh nhiệt độ điểm sương của khí thiên nhiên đồng thời tách nước và
hydrocarbon theo yêu cầu để đáp ứng chỉ tiêu kỹ thuật tương ứng, ví dụ như
sử dụng silica-gel sẽ phù hợp cho việc điều chỉnh nhiệt độ điểm sương bằng
dòng khí sạch cao áp.
 Có thể đồng thời thực hiện tách nước và làm ngọt khí thiên nhiên khi nồng
độ lưu huỳnh dưới 100 ppm.
 Tách nước và tách các cấu tử có lưu huỳnh (H2S, COS, mercaptan) cho

LPG và dòng khí thiên nhiên.
 Tách nước cho dòng NGL.
Ngược lại với hấp phụ, quá trình đi ra của chất bị hấp phụ khỏi bề mặt chất rắn được gọi
là sự giải hấp phụ.
Khi sự hấp phụ đạt đến trạng thái cân bằng thì tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp.
Ưu điểm của quy trình hấp phụ là hiệu suất cao, thiết bị gọn nhẹ, chi phí thấp với công
suất nhỏ. Nhược điểm chính của phương pháp: tiêu tốn chi phí lớn cho chất hấp phụ, gây
trở lực cho dòng khí và chi phí lớn nếu xây dựng trạm thiết bị có công suất lớn. Làm khan
khí bằng phương pháp hấp phụ cho phép độ hạ nhiệt độ điểm sương đến 1000C (nhiệt độ
điểm sương đến -900C). Do đó phương pháp này được áp dụng trong trường hợp đòi hỏi
tách sâu hơi nước, ví dụ như trường hợp khí thiên nhiên cung cấp cho nhà máy sản xuất
khí He.
1.3.2.2 Các chất hấp phụ
Chất hấp phụ có tâm hoạt tính là các lỗ hổng với bề mặt tiếp xúc lớn cho phép hút các cấu
tử phân cực như nước cũng như các phân tử không phân cực như hydrocarbon. Chất hấp
13


phụ có thể chia thành 2 loại là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Chất hấp phụ hóa học
được sử dụng để tách thuỷ ngân và H2S từ khí thiên nhiên. Hấp phụ vật lý thường sử dụng
kim loại và có những tính chất sau:
 Diện tích bề mặt lớn và kích thước lỗ với sức chứa lớn.
 Có hoạt tính với cấu tử cần tách.
 Tốc độ truyền khối lớn.
 Dễ dàng tái sinh và có tính kinh tế cao.
 Duy trì tỷ lệ hấp phụ chấp nhận được khi bắt đầu và sau khi sử dụng.
 Có độ bền cơ học cao để chống bị tạo thành bụi và bị phá hủy bởi nhiệt.
 Không thay đổi thể tích khi hấp thụ và giải hấp, giữ lại được hoạt tính khi bị
ẩm.
 Có tính thương mại và được chứng minh qua thực tế.

Hầu hết các chất hấp phụ thuơng mại có tổng diện tích bề mặt 500–800m2/g. Một muỗng
xúc tác có diện tích bề mặt bằng một sân vận động. Sự đặc biệt đó chỉ đạt được khi sản
xuất kim loại với bề mặt trong lớn, các mao mạch hoặc các tinh thể thu được ở dạng lưới.
Để làm giảm trở lực với dòng khí, chất hấp phụ được chế tạo thành hạt hình cầu.
Các tạp như nước, CO2, H2S và các cấu tử chứa lưu huỳnh đi vào các lỗ rỗng và được giữ
lại trong bề mặt của nó. Trong công nghiệp chế biến khí, vòng hấp phụ nhiệt (TSA:
Thermal Swing Adsorption cycle) được sử dụng. Tạp chất được hấp phụ ở nhiệt độ thấp
và áp suất cao. Chất hấp phụ được tái sinh ở nhiệt độ cao, áp suất giải hấp thấp.
Làm khan khí thiên nhiên bằng phương pháp hấp phụ được thực hiện ở thiết bị hấp phụ
không liên tục với lớp chất hấp phụ được đặt cố định. Quy trình làm khan khí đầy đủ bao
gồm các giai đoạn hấp phụ, tái sinh và làm mát chất hấp phụ. Chất hấp phụ thường được
sử dụng là silica-gel, alumo silica-gel, nhôm oxit hoạt tính, bauxite hoặc zeolite. Công
14


suất hấp phụ phụ thuộc vào kích thước và diện tích bề mặt. Trong quá trình làm khan khí,
nếu tồn tại khí chua thì vật liệu tin cậy nhất được sử dụng là zeolite.

Hình 1.4: Silica-gel

Hình 1.5: Nhôm oxit hoạt tính

Hình 1.6: Than hoạt tính

15


Thể tích lỗ rỗng được dùng để xác định khả năng hấp phụ. Rây phân tử có lỗ rỗng nhỏ,
nhưng silica-gel và alumina đều vô định hình và có lỗ rỗng với độ mở lên đến 100Å. Các
loại ray phân tử 3A, 4A và 5A chứa lỗ rỗng với đường kính 11,4Å và độ mở tương ứng là

3,4 và 5Å.
Khi đường kính lỗ rỗng gần với đường kính của phân tử chất bị hấp phụ, các mao mạch
làm ngưng tụ các phân tử ở pha lỏng. Các lỗ mở trên bề mặt của chất làm khan phải đủ
rộng để phân tử có thể được hấp phụ trong bề mặt của nó (nơi chiếm phần lớn diện tích
tiếp xúc). Tại điều kiện áp suất và nhiệt độ hấp phụ, Silica-gel có sức chứa cao hơn rây
phân tử bởi nó có thể tích lỗ rỗng lớn hơn.
Bảng 1.5: Tính chất của các chất hấp phụ
Chất làm khan

Dạng

Tỷ trọng
(kg/m3)

Kích thước
nguyên tử

Nhiệt dung
(kJ/kg.oC)

Alumina Alcoa F200

Hạt

769

7x14 lỗ

1,00

Activated Alumina

Hạt

737

3-6 lỗ hoặc

0,92

UOP A-201
Mole Sieve Grace –

5-8 lỗ
Hạt

673-721

Davidson 4A
UOP MOLSIVTM 4A-

0,96

8-12 lỗ
Bán dẻo

641-721

1/8” hoặc

1,00

1/16” viên

DG
Mole Sieve Zeochem

4-8 lỗ hoặc

Hạt

705-737

4A

4-8 lỗ hoặc

1,00

8-12 lỗ

Silica gel Sorbead® -R

Hạt

785

5x8 lỗ

1,05

Silica gel Sorbead® -H

Hạt

721

5x8 lỗ

1,05

Silica gel Sorbead® WS

Hạt

721

5x8 lỗ

1,05

16