Nghiên cứu quá trình hấp phụ hơi nước khả năng thay thế chất hấp phụ tại nhà máy xử lý khí dinh cố

Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------------

HỒ XUÂN THÀNH
ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ HƠI NƯỚC
& KHẢ NĂNG THAY THẾ CHẤT HẤP PHỤ TẠI
NHÀ MÁY XỬ LÝ KHÍ DINH CỐ
CHUYÊN NGÀNH :

CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

MÃ SỐ NGÀNH:

02.10.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: TS. NGUYỄN THIẾT DŨNG

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 9 năm 2005


CÔNG TRÌNH HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

TS. NGUYỄN THIẾT DŨNG

Cán bộ chấm nhận xét 1:……………………………………………………………………………………………..

Cán bộ chấm nhận xét 2:……………………………………………………………………………………………..

Luận văn đã được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày………tháng………năm 2005


Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
Trường Đại Học Bách Khoa
-------000-------

Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghóa Việt Nam
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
-------000-------

Tp. HCM, ngày 25 tháng 9 năm 2005

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

HỒ XUÂN THÀNH

Phái:

Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 15 – 05 – 1972

Nơi sinh: Qủang trị

Chuyên Ngành :

Mã số:

I.

Công nghệ hóa học

02.10.00

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ HƠI NƯỚC

& KHẢ NĂNG THAY THẾ CHẤT HẤP PHỤ TẠI NHÀ MÁY
XỬ LÝ KHÍ DINH CỐ
II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Khảo sát chế độ hoạt động của hệ thống hấp phụ hơi nước ở Nhà máy
xử lý khí Dinh cố & giải pháp tối ưu cho hệ thống.
- Nghiên cứu khả năng thay thế chất hấp phụ hiện đang sử dụng bằng
chất hấp phụ khác và chất hấp phụ được sản xuất tại Việt Nam.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25 – 04 - 2005
-

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25 – 09 - 2005

V.

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN THIẾT DŨNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

TS. NGUYỄN THIẾT DŨNG

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội đồng chuyên ngành
thông qua.
Ngày ……. tháng …….. năm 2005
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC
------***------

ĐƠN XIN BẢO VỆ
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Kính gửi:

KHOA QUẢN LÝ NGÀNH
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC TRƯỜNG ĐHBK TP.HCM

Họ và tên học viên:

HỒ XUÂN THÀNH

Ngày tháng năm sinh:

15 -05 -1972

Nơi sinh: Qủang trị

Chuyên ngành:

Công nghệ hoá học

Mã ngành:02.10.00

Tên đề tài: Nghiên cứu quá trình hấp phụ hơi nước và khả năng thay

thế chất hấp phụ tại nhà máy xử lý khí Dinh Cố.
Hiện nay em đã hoàn thành luận văn. Vậy em viết đơn này kính mong Khoa
quản lý ngành, Phòng đào tạo sau đại học Trường ĐHBK Tp.HCM xét duyệt
cho em được bảo vệ.
Em xin chân thành cảm ơn!

Ngày 25 tháng 09 năm 2005
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Học viên thực hiện

TS. NGUYỄN THIẾT DŨNG

HỒ XUÂN THÀNH


Lời cảm ơn
Trước hết, em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Nguyễn Thiết Dũng đã tận
tình hướng dẫn cho em hoàn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Trường đại học bách khoa –
Khoa công nghệ hóa học – Tp. Hồ Chí Minh đã nhiệt tình dạy dỗ, truyền đạt
những kiến thức về chuyên môn trong 2 năm học vừa qua.
Em xin cảm ơn thầy cô trong Hội đồng chấm luận văn đã dành thời gian
q báu để đọc luận văn và cho các nhận xét xác đáng và bổ ích.
Em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Nguyễn Đình Thành, TS. Lê Văn Tiệp
cùng các anh chị em ở Phân viện vật liệu khoa học Tp. Hồ Chí Minh đã nhiệt tình
giúp đỡ và tạo điều kiện cho em thực nghiệm tại Phân viện trong suốt quá trình
làm luận văn.
Tôi chân thành cảm ơn Ban giám đốc Tổng công ty dầu khí Việt Nam, Ban
giám hiệu Trường đào tạo nhân lực dầu khí đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi
hoàn thành khóa học và luận văn này.
Tôi xin cảm ơn Ban quản lý nhà máy xử lý khí Dinh cố cùng các đồng chí
vận hành đã nhiệt tình tạo điều kiện cho tôi được tiếp cận và thực nghiệm tại nhà
máy.
Xin cảm ơn các anh chị đồng nghiệp, bạn đồng môn đã tạo điều kiện thuận
lợi và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn.
Cuối cùng, xin cảm ơn Gia đình, là nguồn động viên và điểm tựa vững
chắc đã hỗ trợ và tạo cho tôi nghị lực trong suốt quá trình học cũng như hoàn
thành luận văn này.

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu quá trình công nghệ làm khô khí tại nhà
máy xừ lý khí Dinh cố. Kết quả tính toán được kiểm chứng với thực tế, rồi từ đó
đưa ra giải pháp vận hành và thay đổi tỷ lệ chất hấp phụ nhằm giảm chi phí cho
hệ thống. Đề tài cũng nghiên cứu khả năng thay thế chất hấp phụ hiện đang nhập
ngoại tại nhà máy bằng chất hấp phụ khác, đặc biệt là chất hấp phụ được chế tạo
thành công tại Phân viện khoa học vật liệu Tp. HCM.
Nội dung chính của đề tài bao gồm:
Phần 1. Tổng quan. Nội dung của phần này trình bày tổng quan về khí tự
nhiên, chất hấp phụ rắn và công nghệ làm khô khí tự nhiên bằng hấp phụ.
Phần 2. Thực nghiệm. Nội dung phần này bao gồm: nghiên cứu quá trình
công nghệ làm khô khí đang hiện hành tại nhà máy xử lý khí Dinh cố; nghiên cứu
khả năng thay thế chất hấp phụ nhôm hoạt tính F-200 bằng silicagel; nghiên cứu
khả năng thay thế chất hấp phụ đang sử dụng tại nhà máy bằng chất hấp phụ
được chế tạo ở Phân viện.
Phần 3. Kết quả và thảo luận. Nội dung phần này bao gồm: trình bày kết
quả tính toán công nghệ và kết quả khảo sát thực tế, thảo luận và đề xuất giải
pháp tối ưu cho hệ thống hiện hành, giải pháp thay thế chất hấp phụ mới.
Phần kết luận : Kết luận và kiến nghị hướng phát triển của đề tài.


Trang 7

MỤC LỤC

Trang

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................. 11
PHẦN 1
1

TỔNG QUAN...............................................................................14

KHÍ TỰ NHIÊN ................................................................................... 14
1.1

Thành phần khí tự nhiên .................................................................. 14

1.2

Quy trình chế biến khí tổng quát...................................................... 17

1.3

Tác hại của nước trong khí tự nhiên ................................................. 19

1.3.1

Phương pháp xác định hàm lượng nước trong khí tự nhiên .......... 19

1.3.2

Hydrat........................................................................................... 20

1.4

Các phương pháp chống sự hình thành hydrat ................................. 20

1.4.1

Phương pháp chống hình thành hydrat tạm thời ........................... 20

1.4.2

Phương pháp chống hydrat vónh cửu ............................................ 21

2

VẬT LIỆU HẤP PHỤ .......................................................................... 23
2.1

Nhôm hoạt tính, γ - Al2O3 ................................................................ 26

2.1.1

Phương pháp điều chế γ - Al2O3 dạng cầu.................................... 27

2.1.2

Nhôm hoạt tính dùng làm khô khí trong thương mại.................... 28

2.2

Rây phân tử (zeolite)........................................................................ 30

2.2.3

Cấu trúc và phân loại zeolite ....................................................... 30

2.2.4

Một số đặc điểm của zeolite ........................................................ 33

2.2.5

Rây phân tử thương phẩm ............................................................ 34

2.3

Silicagel ........................................................................................... 36

2.4

Chọn chất hấp phụ ........................................................................... 38

3

CÔNG NGHỆ LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ RẮN ......... 40
3.1

Sơ đồ công nghệ ............................................................................... 40


Trang 8

3.1.1

Qúa trình hấp phụ ......................................................................... 41

3.1.2

Qúa trình tái tạo ........................................................................... 46

3.2

Một số tạp chất gây nhiễm bẩn chất hấp phụ .................................. 49

PHẦN 2
1

THỰC NGHIỆM ...................................................................52

KHẢO SÁT CÔNG NGHỆ LÀM KHÔ KHÍ Ở NHÀ MÁY CHẾ BIẾN

KHÍ DINH CỐ. ................................................................................................ 52
1.1

Quá trình công nghệ ......................................................................... 52

1.1.1

Sơ đồ công nghệ ........................................................................... 52

1.1.2

Qúa trình hấp phụ ......................................................................... 53

1.1.3

Qúa trình tái tạo ........................................................................... 53

1.2

Thông số thiết kế tháp hấp phụ ........................................................ 55

1.3

Phân tích công nghệ ......................................................................... 57

1.3.1

Tính toán công nghệ cho hệ thống hiện tại .................................. 57

1.3.2

Gỉai pháp tối ưu cho hệ thốngï ...................................................... 70

2

PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG THAY THẾ NHÔM HOẠT TÍNH BẰNG

SILICAGEL..................................................................................................... 75
2.1

Phân tích ưu và nhược điểm của silicagel và nhôm hoạt tính .......... 75

2.2

So sánh đặc tính chất hấp phụ: ......................................................... 76

2.3

Phân tích công nghệ cho trường hợp thay nhôm hoạt tính bằng silicagel
……………………………………………………………………………………………………………………………………78

2.3.1 Lượng rây phân tử MS4A vẫn giữ nguyên với khối lượng 4050 kg........ 78

2.3.2 Thay nhôm hoạt tính bằng silicagel nhưng giữ nguyên chiều cao toàn bộ lớp
chất hấp phụ .................................................................................................... 80


Trang 9

3 PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG THAY THẾ CHẤT HẤP PHỤ BẰNG CHẤT HẤP
PHỤ ĐIỀU CHẾ TẠI PHÂN VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU TP. HCM ....... 83
3.1

Khảo sát cấu trúc của chất hấp phụ ................................................. 83

3.1.1

Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) ............................................... 83

3.1.2

Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ............................................. 84

3.2

Phân tích khả năng thay thế F-200 và MS 4A bằng chất hấp phụ được

chế tạo tại Phân viện. .................................................................................. 85
3.2.1

Xác định một số thông số công nghệ ........................................... 85

3.2.2

Xác định tỷ lệ chất hấp phụ nhôm hoạt tính và rây phân tử......... 86

3.2.3

Xác định nhiệt tái tạo ................................................................... 86

PHẦN 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................87
1

SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VỚI THỰC TẾ: ......................... 87

2

GIẢI PHÁP TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG ĐANG HIỆN HÀNH........... 88
2.1

Thay đổi chế độ vận hành cho nhà máy .......................................... 88

2.2

Thay đổi tỷ lệ chất hấp phụ.............................................................. 89

3

GIẢI PHÁP THAY THẾ CHẤT HẤP PHỤ MỚI ................................ 90
3.1

Thay thế nhôm hoạt tính bằng silicagel GSA35 .............................. 90

3.1.1

Lượng rây phân tử MS4A vẫn giữ nguyên với khối lượng 4050 kg. . 90

3.1.2

Thay nhôm hoạt tính bằng silicagel nhưng giữ nguyên chiều cao toàn bộ

lớp chất hấp phụ. ............................................................................................. 91
3.2

Thay F-200 và MS 4A bằng γ - Al2O3 dạng cầu và rây phân tử điều chế

tại Phân viện ................................................................................................ 93
3.2.1

Khảo sát cấu trúc chất hấp phụ bằng phương pháp vật lý ............ 93

3.2.2

Kết quả phân tích công ngheä........................................................ 95

Trang 10

KẾT LUẬN ......................................................................................................97
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 98
PHỤ LỤC ………………………………………………………………………………………………………………………… 100


Trang 11

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
C:

Hàm lượng nước trong khí, kg H2O/triệu m3 khí.

CH20 :

Hàm lượng nước trong khí,% mol.

co(hp):

Hàm lượng nước trên chất hấp phụ trước khi hấp phụ.

chp:

Hàm lượng nước trên chất hấp phụ sau khi bão hòa.

Cp :

Nhiệt dung riêng đẳng áp, KJ/(kg độ).

CP(H20):

Nhiệt dung riêng đẳng áp của nước, KJ/(kg độ).

CP(Al):

Nhiệt dung riêng đẳng áp của nhôm hoạt tính, KJ/(kg độ).

CP(rây):

Nhiệt dung riêng đẳng áp của rây phân tử, KJ/(kg độ).

CP(sil):

Nhiệt dung riêng đẳng áp của silicagel, KJ/(kg độ).

CP(thép):

Nhiệt dung riêng đẳng áp của thép, KJ/(kg độ).

CP(cera):

Nhiệt dung riêng đẳng áp của ceramic, KJ/(kg độ).

CP(ABS):

Nhiệt dung riêng đẳng áp của đệm ABS, KJ/(kg độ).

D*:

Hằng số.

d:

Đường kính trong của tháp hấp phụ, m

F:

Lưu lượng khí, triệu m3 /giờ.

Fs :

Lưu lượng thể tích khí ở điều kiện tiêu chuẩn, triệu m3/ngày.

Fa:

Lưu lượng thể tích khí ở điều kiện thực, triệu m3/ngày.

h:

Chiều cao lớp chất hấp phụ, m.

hMTZ:

Chiều cao vùng chuyển khối (MTZ), m.

hAl:

Chiều cao lớp nhôm hoạt tính, m.

hrây:

Chiều cao lớp rây phân tử, m.

hsil:

Chiều cao lớp silicagel, m.

hrây min:

Chiều cao lớp rây tối thiểu, m.

Hgh(Al) :

Nhiệt giải hấp nước của nhôm hoạt tính, KJ/kg H2O.

Hgh(sil):

Nhiệt giải hấp nước của silicagel, KJ/kg H2O.


Trang 12

Hgh(rây):

Nhiệt giải hấp nước của rây phân tử, KJ/kg H2O.

K:

Hằng số

Lw:

Tải nước, kg H2O/(giờ.m2)

MF:

Lưu lượng khí đầu vào, kg/giờ, kmol/giờ

MWg:

Phân tử lượng trung bình của khí, kg/kmol

MWH20 :

Phân tử lượng nước, kg/kmol

MAl:

Khối lượng nhôm hoạt tính, kg

Mrây:

Khối lượng rây phân tử, kg

Mrây yêu cầu:

Khối lượng rây yêu cầu, kg

MH20:

Khối lượng nước, kg

MH2O(Al):

Khối lượng nước mà nhôm hoạt tính hấp phụ, kg

MH2O(rây):

Khối lượng nước mà rây phân tử hấp phụ, kg

MH2O(sil):

Khối lượng nước mà silicagel hấp phụ, kg

Mktt:

Lưu lượng khối lượng khí tái tạo, kg/giờ

Mthép:

Khối lượng thép, kg

Mđệm:

Khối lượng vật liệu đệm, nâng trong tháp, kg

P:

p suất khí, Kpa

Ps:

p suất tiêu chuẩn, =101,3 Kpa

QW :

Nhiệt lượng nung nóng nước đến nhiệt độ giải hấp, KJ.

Qgh:

Nhiệt giải hấp, KJ

Qchp:

Nhiệt nung nóng chất hấp phụ, KJ

Qthép:

Nhiệt nung nóng thép của tháp hấp phụ, KJ

Qđệm:

Nhiệt nung nóng vật liệu đệm ceramic, ABS,…, KJ

Qloss:

Nhiệt mất mát, KJ

Qtt:

Nhiệt lượng cần thiết cho tái tạo, KJ

Qktt:

Nhiệt lượng cấp vào cho khí tái tạo, KJ


Trang 13

qtt:

Nhiệt lượng tái tạo tính cho 1 giờ hấp phụ, KJ/giờ hấp phụ.

RS, RH:

Độ ẩm tương đối của khí, %

S:

Diện tích tiết diện lớp chất hấp phụ, m2.

T:

Nhiệt độ khí, oK

Ts:

Nhiệt độ tiêu chuẩn = 15oC = 288,15OK.

t:

Thời gian, giờ.

tb:

Thời gian bắt đầu tăng điểm sương nước, giờ

Vg:

Vận tốc khí, m/phút.

WMTZ:

Lượng nước hấp phụ trong MTZ, kg.

X:

Khả năng hấp phụ hiệu dụng, %.

XS :

Khả năng hấp phụ động, %.

XAl:

Khả năng hấp phụ hiệu dụng của nhôm hoạt tính, %.

Xrây :

Khả năng hấp phụ hiệu dụng của rây phân tử, %.

Xsil:

Khả năng hấp phụ hiệu dụng của silicagel, %.

Z:

Hệ số nén.

ρ:

Khối lượng riêng, kg/m3.

ρAl :

Khối lượng riêng của nhôm hoạt tính, kg/m3.

ρrây :

Khối lượng riêng của rây phân tử, kg/m3.

ρsil:

Khối lượng riêng của silicagel, kg/m3.

LPG:

Liquidfied Petroleum Gas

HC:

Hydrocacbon

NGL:

Natural Gas Liquid

MTZ:

Mass transfer zone.


Trang 14

PHẦN 1

TỔNG QUAN

1 KHÍ TỰ NHIÊN
1.1 Thành phần khí tự nhiên
Khí tự nhiên là một hỗn hợp phức tạp của các hydrocacbon và phi
hydrocacbon ở dạng khí hoặc hơi dưới điều kiện bình thường. Ngoài ra, khi mới
khai thác còn có các tạp chất rắn như: đất, đá, cát và các chất lỏng như: nước
lỏng, dầu lỏng. Các cấu tử thường xuất hiện trong khí tự nhiên được tóm tắt trong
Bảng 1.1.

Bảng 1.1. Cấu tử tạo nên khí tự nhiên
Loại

Hydrocacbon

Cấu tử
Tên gọi

Công thức phân tử

Ký hiệu viết tắt

Metan

CH4

C1

Etan

C2H6

C2

Propan

C3H8

C3

i-Butan

i-C4H10

i-C4

n-Butan

n-C4H10

n-C4

i-Pentan

i-C5H12

i-C5

n-Pentan

n-C5H12

n-C5

Cyclopentan

C5H10

Hexan, HC nặng hơn
Khí trơ

C6+

Nitơ

N2

Heli

He


Trang 15

Agon

Ar

Hydro

H2

Oxy

O2

Hydrosunfua

H2S

Dioxit cacbon

CO2

Hợp chất

Mercaptan

RSH

chứa lưu

Sunfua

RSR’

huỳnh

Disunfua

RSSR’

Khí axít

Hơi nước

H2O

Chất lỏng

Nước, nước biển, …

Chất rắn

Rỉ rét, đất, đá,…

Trong đó các hydrocacbon là thành phần chính, có giá trị và chúng được thu hồi
thành các sản phẩm khác nhau trong nhà máy xử lý khí. Bảng 1.2 trình bày một
số sản phẩm thu được từ khí và ứng dụng chính của chúng.

Bảng 1.2. Một số sản phẩm từ khí và công dụng
Tên sản phẩm

Công dụng

Metan

Nhiên liệu

Etan

Nhiên liệu, nguyên liệu hóa dầu

LPG (hỗn hợp C3/C4)

Nhiên liệu, nguyên liệu hoá dầu

n-Butan

Nguyên liệu hóa dầu, phụ gia gasoline

i-Buntan

Nguyên liệu cho hóa dầu

C5+

Nguyên liệu lọc dầu


Trang 16

Hầu hết khí tự nhiên đều có chứa N2. Nitơ không có giá trị nhiệt, nó làm hạ
thấp trị nhiệt của khí. Hàm lượng N2 được hạn chế đến giá trị thấp nhất trong khí
thương phẩm.
He cũng không có giá trị nhiệt và hầu hết có trong khí tự nhiên dưới dạng
vết. Trong một vài trường hợp, khí tự nhiên có chứa lượng vết O2, Ar, H2.
Khí axít như H2S, CO2 thường được tìm thấy trong khí tự nhiên với hàm
lượng tương đối cao. Chúng là thành phần gây ăn mòn, tạo hydrat. CO2 với hàm
lượng lớn sẽ làm giảm trị nhiệt và gây hóa rắn trong quá trình chế biến ở nhiệt độ
sinh hàn. H2S là hợp chất cực kỳ độc hại đối với sức khỏe và tính mạng con
người. H2S và cùng với một số hợp chất chứa lưu huỳnh khác gây ô nhiễm môi
trường, gây mưa axít khi bị đốt cháy. Ngoài ra H2S là tác nhân đầu độc xúc tác
trong các quá trình chế biến khí.
Hơi nước, được xem là tạp chất chính, luôn xuất hiện trong khí tự nhiên.
Ngoài tác hại làm giảm trị nhiệt của khí, hơi nước dễ hình thành hydrat gây tắc
nghẽn đường ống và làm hư hại các thiết bị mà đặc biệt trong quá trình chế biến
khí ở nhiệt độ sinh hàn.

Để thu được các sản phẩm hydrocacbon có giá trị, công đoạn đầu tiên là
loại các tạp chất trên, nếu có, ra khỏi khí tự nhiên. Công đoạn này thường được
gọi chung là công đoạn xử lý tạp chất. Tuỳ thuộc vào loại tạp chất cần xử lý mà
quá trình có thể được gọi theo tên riêng, ví dụ như: quá trình loại hơi nước được

gọi là quá trình làm khô khí, quá trình loại khí axit thường được gọi là quá là trình
làm ngọt khí,..


Trang 17

1.2 Quy trình chế biến khí tổng quát
Thông thường quá trình chế biến khí được chia thành các công đoạn chính
theo sơ đồ tổng quát trong hình 1.1:
Nhiên
liệu
(C1, C2,…)

Khí
vào

Công đoạn
xử lý tạp
chất

Công đoạn
trích ly NGL
Nhiên liệu

Công đoạn tách
NGL thành các
sản phẩm

C2
LPG

C5+,..

Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ chế biến khí tổng quát

a. Công đoạn xử lý tạp chất: Công đoạn này thường có trong nhà máy chế biến
khí và được thiết kế để loại các tạp chất như H2O, H2S, CO2,… từ khí.
- Quá trình làm khô khí. Có 2 phương pháp làm khô khí thường được sử dụng
trong công nghệ chế biến khí:
+ Phương pháp hấp thụ: Sử dụng dung dịch glycol có nồng độ cao (thường là
trietylenglycol, TEG) hấp thụ hơi nước từ khí tự nhiên. Phương pháp này đơn
giản, hiệu quả và được sử dụng rộng rãi nhằm loại hơi nước đến nồng độ đáp ứng
tiêu chuẩn khí vận chuyển bằng đường ống.
+ Phương pháp hấp phụ: Đây là phương pháp sử dụng chất hấp phụ rắn như:
silicagel, nhôm hoạt tính, rây phân tử để hấp phụ hơi nước từ khí đến nồng độ rất
thấp (< 1ppm). Phương pháp này thường được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy
chế biến khí ở nhiệt độ sinh hàn.


Trang 18

Ngoài ra ở một số nơi còn sử dụng các phương pháp khác như: làm lạnh, hấp phụ
bằng CaCl2,..
- Qúa trình làm ngọt khí: Đây là thuật ngữ dùng để chỉ quá trình loại khí axít
như H2S, CO2 ra khỏi khí tự nhiên. Thông thường, làm ngọt khí bằng các phương
pháp sau:
+ Hấp thụ hóa học bằng dung dịch amin, cacbonat potassium,..
+ Hấp phụ bằng chất rắn như: rây phân tử, oxit kẽm,…
Ngoài ra, nếu có các tạp chất khác như: N2, Hg,… cần phải có thêm các quá trình
thích hợp khác.

b. Công đoạn trích ly NGL: NGL (Natural Gas Liquid) là sản phẩm thu được từ
khí tự nhiên có thành phần là C2 (nếu yêu cầu), C3, C4 và C5+.
Công đoạn này thường dùng các phương pháp sau:
- Hấp thụ bằng dầu hấp thụ.
- Hấp phụ bằng chất hấp phụ rắn.
- Ngưng tụ bằng quá trình làm lạnh: giãn nở nhờ hiệu ứng J-T, làm lạnh bằng
hệ thống làm lạnh, giãn nở bằng turbo-expander.

c. Công đoạn tách NGL thành các sản phẩm: Công đoạn này nhằm chế biến NGL
thành các sản phẩm đáp ứng với yêu cầu của thị trường. Trong nhiều trường hợp
NGL được tách thành các sản phẩm cụ thể như: C2, LPG, C5+,.. Công đoạn này
thường sử dụng phương pháp chưng cất.
Ngoài 3 công đoạn trên, nếu cần thiết có thể có thêm công đoạn phụ khác như
công đoạn xử lý các sản phẩm: xử lý nước, hợp chất lưu huỳnh, CO2 tuỳ thuộc
vào yêu cầu thực tiễn và từng trường hợp cụ thể khác.


Trang 19

Ở Việt Nam, khí tự nhiên chứa rất ít H2S nên không cần đến công đoạn xử lý khí
axit.

1.3 Tác hại của nước trong khí tự nhiên
Khí tự nhiên khi mới khai thác hầu như luôn luôn bão hòa hơi nước. Do đó
trong quá trình vận chuyển chế biến khí thì các vấn đề sau đây có thể xảy ra:
1. Nước lỏng hình thành và bị gom lại trong ống dẫn làm gia tăng độ giảm áp, tạo
nên dòng chảy nhiều pha.
2. Nước có thể bị đông thành băng hoặc tạo thành hydrat rắn với khí khi gặp
nhiệt độ thấp. Do đó làm giảm dòng chảy, tắc nghẽn, bào mòn và làm hư hại các
thiết bị lắp đặt trên đường ống.

3. Các khí axít như H2S , CO2 phân ly trong nước gây nên ăn mòn đường ống.
Chính vì vậy nước được xem là tạp chất chính trong khí tự nhiên. Việc loại nước
ra khỏi khí và chống hình thành hydrat là một phần quan trọng không thể thiếu
trong quá trình chế biến khí. Trong việc thiết kế và vận hành đường ống dẫn khí,
hệ thống chống hình thành hydrat, làm khô khí luôn cần đến 2 thông số sau:
a. Hàm lượng nước của khí tự nhiên.
b. p suất và nhiệt độ hình thành hydrat.

1.3.1 Phương pháp xác định hàm lượng nước trong khí tự nhiên
Hàm lượng nước trong khí tự nhiên phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và thành
phần khí. Các phương pháp dùng để xác định hàm lượng nước bao gồm:
-

Xác định hàm lượng nước theo phương pháp áp suất riêng phần.

-

Xác định hàm lượng nước theo đồ thị.

-

Xác định hàm lượng nước theo phương pháp phương trình trạng thái.


Trang 20

1.3.2 Hydrat
Hydrat là những hợp chất rắn tinh thể, bề ngoài trông giống như băng tuyết,
chúng được hình thành từ hydrocacbon và nước ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ hình
thành hydrat (áp suất xác định).

Để tránh được sự hình thành hydrat ta có thể thực hiện một trong những biện
pháp sau:
• Đưa nhiệt độ khí lên cao hơn nhiệt độ hình thành hydrat. Trong thực tiễn
điều này được thực hiện bằng cách gia nhiệt cho khí.
• Hạ thấp nhiệt độ hình thành hydrat của khí bằng cách cho tác nhân như
glycol, metanol,… vào.
• Loại nước ra khỏi khí hay làm khô khí.
Trong 3 phương pháp trên, phương pháp thứ ba là có tính triệt để, phù hợp với
công nghệ chế biến khí ở nhiệt độ sinh hàn.

1.4 Các phương pháp chống sự hình thành hydrat
Trong quá trình vận chuyển chế biến khí, do các nguyên nhân như: hiệu ứng
làm lạnh Joule-Thomson, mất mát nhiệt ra bên ngoài, hóa lỏng khí ở nhiệt độ
sinh hàn mà nhiệt độ của khí có thể giảm xuống và hình thành hydrat.
Để khắc phục vấn đề này, trong thực tiễn thường áp dụng các phương pháp sau:

1.4.1 Phương pháp chống hình thành hydrat tạm thời
Bao gồm 2 phương pháp:
a. Nung nóng dòng khí để duy trì nhiệt độ dòng khí lớn hơn nhiệt độ hình thành
hydrat. Phương pháp này thích hợp cho trường hợp đường ống dẫn ngắn, van giãn
nở. Ưu điểm của phương pháp là có vốn đầu tư ban đầu nhỏ, chi phí hoạt động
thấp [16].


Trang 21

b. Sử dụng hóa chất như metanol để hạ thấp nhiệt độ hình thành hydrat xuống
thấp hơn nhiệt độ của khí. Phương pháp này thích hợp cho trường hợp nước lỏng
hiện diện trong khí, nhiệt độ ống dẫn và các thiết bị không thể duy trì lớn hơn
nhiệt độ hình thành hydrat. Ưu điểm của phương pháp này là vốn đầu tư ban đầu

thấp, thiết bị đơn giản dễ vận hành. Tuy nhiên chi phí hoạt động cao do không
thu hồi được metanol và việc thêm metanol là đã đưa tạp chất vào khí [16].

1.4.2 Phương pháp chống hydrat vónh cửu
Đây là phương pháp loại hơi nước ra khỏi khí hay còn gọi là phương pháp
làm khô khí.
a. Phương pháp hấp thụ: Phương pháp này sử dụng dung dịch glycol như
etylenglycol(EG), dietylenglycol(DEG), và đặc biệt thường dùng nhất là dung
dịch trietylenglycol(TEG) để hấp thụ hơi nước trong khí tự nhiên. Phương pháp
này có ưu điểm:[15]
- Chi phí đầu tư ban đầu thấp.
- Độ giảm áp thấp: 0,3 at ÷ 0,7 at.
- Là quá trình liên tục.
- Tái tạo và thay thế glycol dễ thực hiện hơn.
- Nhiệt tái tạo glycol thấp hơn so với tái tạo chất hấp phụ.
- Hệ thống glycol vẫn có thể hoạt động được khi có các tạp chất mà sẽ làm
mất hoạt tính chất hấp phụ rắn.
- Có thể loại hơi nước đến hàm lượng 8kg/triệu m3 khí tiêu chuẩn.
Tuy nhiên, phương pháp này cũng có những nhược điểm sau:
- Khi yêu cầu điểm sương của nước nhỏ hơn -31oC thì cần phải có hệ thống
stripping và cột Stahl trong phần tái tạo.
- Glycol dễ bị nhiễm bẩn bởi các tạp chất.


Trang 22

- Glycol có tính ăn mòn khi bị phân hủy…
b. Phương pháp hấp phụ: Phương pháp này sử dụng các chất hấp phụ rắn như
silicagel, nhôm hoạt tính, rây phân tử để hấp phụ hơi nước từ khí tự nhiên.
Ưu điểm chính của phương pháp này là: [15]

- Có thể cho điểm sương nước thấp đến -101oC (1ppmv), phù hợp với quá
trình hóa lỏng khí ở nhiệt độ sinh hàn.
- Ít bị ảnh hưởng bởi sự biến động nhỏ về áp suất, nhiệt độ, lưu lượng khí.
- Ít bị ảnh hưởng bởi sự ăn mòn và tạo bọt.
Tuy nhiên, phương pháp này có các nhược điểm sau:
- Chi phí vốn cao hơn.
- Tạo độ giảm áp cao.
- Chất hấp phụ bị nhiễm độc bởi các hydrocacbon nặng, H2S, CO2…
- Các phần tử chất hấp phụ rắn dễ bị vở vụn do tác động cơ học.
- Yêu cầu về không gian và khối lượng lớn hơn.
- Yêu cầu nhiệt tái tạo chất hấp phụ và chi phí lớn.

Tóm lại, nước là một tạp chất luôn xuất hiện trong khí tự nhiên, là tác
nhân không những làm giảm giá trí của khí mà còn gây nên sự hình thành
hydrat làm cản trở quá trình khai thác, vận chuyển và chế biến khí. Do đó trong
quá trình chế biến khí mà đặc biệt ở điều kiện chế biến sinh hàn, nước cần phải
loại ra khỏi dòng khí trước khi đi vào chế biến thành các sản phẩm có giá trị
hơn.
Trong phạm vi luận văn này chúng tôi khảo sát quá trình hấp phụ hơi
nước từ khí tự nhiên bằng các chất hấp phụ rắn.


Trang 23

2 VẬT LIỆU HẤP PHỤ
Hấp phụ là quá trình trong đó các phân tử pha khí được bắt giữ trên bề mặt
chất rắn bằng các liên kết bề mặt. Tùy thuộc vào bản chất các lực liên kết mà ta
có hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Hấp phụ hóa học ít được dùng trong xử lý
khí tự nhiên, đặc biệt là làm khô khí, và sẽ không đề cập ở đây. Hấp phụ vật lý,
được ứng dụng trong việc làm khô khí, sử dụng vật liệu hấp phụ với các đặc trưng

sau:
-

Diện tích bề mặt lớn.

-

Có hoạt tính đối với cấu tử cần được tách ra khỏi khí.

-

Tốc độ truyền khối cao.

-

Dễ tái tạo.

-

Hoạt tính được duy trì tốt theo thời gian.

-

Ít cản trở dòng chảy của khí.

-

Độ bền cơ học cao.

-

Rẻ tiền, không có tính ăn mòn, không độc hại, trơ về hóa học và có khối
lượng riêng thể tích lớn.

-

Thay đổi thể tích không đáng kể trong suốt quá trình hấp phụ, giải hấp và
duy trì được độ bền khi bị ướt.

Các vật liệu đáp ứng được các yêu cầu trên có thể được chia thành các loại sau:
-

Bauxite: khoáng tự nhiên chứa chủ yếu là Al2O3.

-

Nhôm hoạt tính.

-

Gels: thành phần chủ yếu là SiO2

-

Rây phân tử: zeolite

-

Carbon hoạt tính.

Trang 24

Ngoại trừ carbon hoạt tính, các chất hấp phụ còn lại đều có thể sử dụng cho mục
đích làm khô khí.
Bảng 1.3 trình bày một số đặc tính của chất hấp phụ rắn thường sử dụng trong
quá trình làm khô khí tự nhiên.

Bảng 1.3. Tóm tắt một số đặc tính chất hấp phụ đặc trưng.[18][15][12]
Đặc tính
Diện tích bề mặt, m2/g

Silica gel
03
750 - 830

Alumina
Alumina
Alcoa F-200 Alcoa H-156
340-360
340-360

Rây phân tử
3A, 4A, 5A
650-800

Thể tích xốp, cm3/g

0,40-0,45

0,50

0,50

0,27

Đường kính lỗ xốp, Ao

21-23

43

26

*

Khối lượng riêng thể

721

770

769

689 -721

0,92

1,0

1,0

1,0

tích, kg/m3
Nhiệt dung riêng,
KJ/(kg.oC)
(*): Loại 4A và 5A chứa các hốc có đường kính 11,4Ao với các cửa sổ tròn có đường
kính 4,2 Ao.

Cửa sổ chất hấp phụ phải đủ lớn để cho phép các phân tử nước đi vào và hấp phụ
bên trong. Các lỗ xốp bên trong của gel tồn tại các mao quản với đường kính như
được chỉ trong bảng trên. Với rây phân tử, trong nhiều trường hợp, lỗ xốp bên
trong là các khoang trống có kích thước lớn hơn kích thước cửa sổ, ví dụ như:
zeolite X, Y,…


Trang 25

Bảng 1.4. Đường kính danh nghóa của một số phân tử.

Phân tử

Đường kính, Ao

Phân tử

Đường kính, Ao

Heli

2,0

Propylen

5,0

Hydro

2,4

Etyl mercaptan

5,1

Acetylen

2,4

Buten-1

5,1

Monoxit cacbon

2,8

Trans - Buten - 2

5,1

Dioxit cacbon

2,8

1,3-Butadien

5,2

Nitơ

3,0

R-22

5,3

Nước

3,2

Thiophen

5,3

Amoniac

3,6

i-Butan ÷ i-C22H46

5,6

Hydrosufua

3,6

R-12

5,7

Argon

3,8

Cyclohexan

6,1

Metan

4,0

Benzen

6,7

Etylen

4,2

Toluen

6,7

Etylen oxit

4,2

p-Xylen

6,7

Etan

4,4

Carbon tetrachloride

6,9

Metanol

4,4

Chloroform

6,9

Etanol

4,4

Neopentan

6,9

Metyl mercaptan

4,5

m-xylen

7,1

Propan

4,9

o-xylen

7,4

n-Butan ÷
n-C22H46

4,9

Triethylamin

8,4