Đồ án chế biến khí tự nhiên phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.................................................................................................3
PHẦN 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT...........................................................4
1.1. Giới thiệu chung về khí tự nhiên và khí đồng hành..................................................4
1.1.1. Thành phần và tính chất của khí tự nhiên và khí đồng hành [1].............................4
1.1.2. Tình hình ngành cơng nghiệp khí ở Việt Nam.......................................................5
1.1.3. Lựa chọn khí để chế biến.......................................................................................7
1.2. Các phương pháp chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành........................................9
1.2.1. Phương pháp chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ........................................9
1.2.2. Chế biến khí bằng phương pháp hấp thụ................................................................9
1.2.3. Chế biến khí bằng phương pháp chưng cất..........................................................10
1.3. Cơ sở hố lý của quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp..................................................10
1.3.1. Khái niệm về quá trình ngưng tụ..........................................................................10
1.3.2. Đặc điểm của quá trình ngưng tụ.........................................................................10
1.3.3. Q trình chuyển pha của khí đồng hành.............................................................11
1.3.3.1. Q trình chuyển pha đối với khí một cấu tử [4]...............................................11
1.3.3.2. Giản đồ pha hệ nhiều cấu tử..............................................................................12
1.3.4. Hằng số cân bằng pha..........................................................................................13
1.3.5. Phương pháp tính thành phần lỏng – hơi..............................................................14
1.4. Tổng quan về các cơng nghệ chế biến khí bằng phương pháp NNT.......................15
1.4.1. Phân loại các sơ đồ công nghệ.............................................................................15
1.4.2. Các cơng nghệ chế biến khí bằng phương pháp NNT..........................................16
1.4.2.1. Sơ đồ NNT một bậc để nhận C3+ có chu trình làm lạnh ngồi sử dụng tác nhân
propan và tháp tách sơ bộ etan.........................................................................................16
1.4.2.2. Sơ đồ NNT ba bậc nhận C3+ với chu trình làm lạnh bằng propan......................18
1.4.2.3. Sơ đồ NNT hai bậc để tách C3+ có tuabin giãn nở khí, tiết lưu dịng chất lỏng. 19
1.4.2.4.Sơ đồ NNT hai bậc nhận C3+ có chu trình làm lạnh tổ hợp (chu
trình làm lạnh ngồi bằng propan, tiết lưu dịng chất lỏng)..................20
1.4.2.5. Sơ đồ NNT hai bậc nhận C3+ có chu trình làm lạnh tổ hợp (chu trình làm lạnh
ngồi bằng propan, tiết lưu dòng chất lỏng và tuabin giãn nở khí)...................................21
1

1.5. Phân tích lựa chọn cơng nghệ.................................................................................22
1.5.1. So sánh các cơng nghệ chế biến khí.....................................................................22
1.5.1.1. NNT với HNT và CNT.....................................................................................22
1.5.1.2. So sánh cơng nghệ NNT sử dụng chu trình làm lạnh ngoài và làm lạnh trong..23
1.6.1. Thiết bị phân tách lỏng hơi [5].............................................................................26
1.6.2. Tháp tách etan.............................................................................27
1.6.3. Thiết bị trao đổi nhiệt...................................................................35
1.6.4. Thiết bị Turbo Expander................................................................37
1.6.5. Thiết bị đun sôi đáy tháp..............................................................38
PHẦN II: TÍNH TỐN..............................................................................40
2.1. Thơng số ngun liệu đầu vào................................................................................40
2.2. Mô phỏng công nghệ bằng phần mềm Hysys.........................................................41
2.2.1. Xây dựng cơ sở mơ phỏng...................................................................................41
2.2.2. Xây dựng lưu trình chính.....................................................................................41
2.3. Kết quả tính tốn bằng phần mềm mơ phỏng Hysys...............................................52
2.3.1. Hệ số tách các cấu tử nặng C3+....................................................52
2.3.2. Cân bằng vật chất và năng lượng của từng thiết bị.....................53
2.3.3. Cân bằng vật chất và năng lượng của tồn bộ q trình.............65
2.3.2.1.Cân bằng vật chất của quá trình..................................................65
2.3.2.2.Cân bằng năng lượng của q trình.............................................65
2.4. Tính tốn thiết bị chính...........................................................................................65
KẾT LUẬN.............................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................71

2


MỞ ĐẦU

Ngành dầu khí Việt Nam qua gần 60 năm xây dựng và phát triển đã vươn lên trở
thành một ngành kinh tế quan trọng, trụ cột trong nền kinh tế Việt Nam. Đặc biệt, ngày
23/7/2015, Bộ Chính trị đã có Nghị quyết số 41-NQ/TW về “Định hướng Chiến lược
phát triển ngành Dầu khí Việt Nam đến năm 2025 và tầm nhìn đến năm 2035”, trong đó
khẳng định quan điểm: “Cơng nghiệp Khí và Chế biến Dầu khí là hai trong 5 lĩnh vực
chính trong Chiến lược phát triển ngành Dầu khí Việt Nam. [10]
Khí thiên nhiên hay khí đồng hành sau khi được xử lý, trở thành một nguồn nhiên
liệu sạch và thân thiện với môi trường, thải ra ít CO2 và NOx (là các nhân tố chính gây ra
sự nóng lên tồn cầu và mưa acid) so với dầu và than đá. Do sự đa dạng về thành phần
mà khí thiên nhiên được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp từ sản xuất năng lượng
(điện, nhiên liệu) đến sản xuất ngun liệu cho ngành hóa dầu. Từ khí có thể sản xuất các
sản phẩm quan trọng như: LPG, amoniac, metanol, etylen, propylen trong đó etylen,
propylen là những nguyên liệu cơ bản chiếm tỷ trọng lớn trong công nghiệp hóa dầu....
chặng đường xử lý khí này gọi là chế biến sâu khí thiên nhiên. So với việc bán và sử
dụng khí ban đầu, thì việc chế biến sâu sẽ giúp gia tăng giá trị khí, tận dụng và sử dụng
hiệu quả nguồn tài nguyên, giúp chủ động và tự lực hơn nữa trong việc đảm bảo an ninh
năng lượng quốc gia.[11]
Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt “Quy hoạch phát triển ngành cơng nghiệp Khí
Việt Nam đến năm 2025, định hướng đến năm 2035”, trong đó, một lần nữa khẳng định
quan điểm: “Đẩy mạnh đầu tư chế biến sâu khí thiên nhiên, đa dạng hóa sản phẩm nhằm
nâng cao giá trị sử dụng của khí và hiệu quả của sản phẩm khí trong nền kinh tế”. Chính
phủ đã yêu cầu phát triển lĩnh vực hóa dầu từ khí, tăng cường đầu tư chế biến sâu khí
thiên nhiên để nâng cao giá trị gia tăng sản phẩm khí; tạo ra các nguyên, nhiên, vật liệu
để phục vụ phát triển sản xuất công nghiệp trong nước, hướng tới xuất khẩu… Và đây
chính là nhiệm vụ trọng tâm trong Quy hoạch tổng thể phát triển ngành cơng nghiệp Khí
Việt Nam. Từ đó, các nhiệm vụ cụ thể được đề ra như: Tiếp tục hoàn thiện hệ thống cơ sở
hạ tầng thu gom, vận chuyển, xử lý khi trên nguyên tắc sử dụng tối đa công suất hệ thống
hạ tầng hiện hữu; từng bước xây dựng và hoàn thiện cơ sở hạ tầng hệ thống kho chứa,
nhập khẩu, phân phối LNG; đẩy mạnh đầu tư chế biến sâu khí thiên nhiên, đa dạng hóa
sản phẩm nhằm nâng cao giá trị sử dụng của khí, giảm tỷ trọng nhập siêu…

Cơng nghệ và phương pháp chế biến khí trên thế giới hiện nay rất đa dạng và
phong phú. Nhưng trong các công nghệ chế biến khí thì cơng nghệ chế biến khí bằng
phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp được coi là phương pháp có hiệu quả và kinh tế hơn
cả. Vì vậy đồ án này sẽ trình bày về “Chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt
độ thấp”.
3


1.1.

PHẦN 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
Giới thiệu chung về khí tự nhiên và khí đồng hành
1.1.1. Thành phần và tính chất của khí tự nhiên và khí đồng
hành [1]

Những cấu tử cơ bản của khí tự nhiên và khí đồng hành: metan,
etan, propan, butan (n- và iso-). 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 q trình khai thác dầu thơ.
Trong thành phần của khí đồng hành ngồi cấu tử chính là metan cịn
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 cịn 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 50g/m 3 các cấu
tử propan, butan và các hydrocacbon nặng được gọi là khí béo. Khí này
được ứng dụng chế tạo xăng khí, khí hố lỏng (LPG) và nguồn

hydroacbon cho công nghệ tổng hợp hữu cơ. Cịn khí chứa dưới mức
50g/m3 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.
Theo Chiến lược phát triển ngành Dầu khí Việt Nam đến năm 2025,
tổng tiềm năng dầu khí của Việt Nam được dự báo, đánh giá khoảng
3,8 ÷ 4,2 tỷ tấn dầu qui đổi. Trong đó, khoảng 1,4 ÷ 1,5 tỷ tấn dầu
condensate và 2,4 ÷ 2,7 nghìn tỷ m3 khí thiên nhiên. Dưới đây là một
số mỏ khí của Việt Nam.
Mỏ
Thàn
h
Phần
Metal C1
Etan C2
Propan C3
Butan C4

Bạch
Hổ
(lơ 09)
76,82
11,87
5,98
1,04

Rồng (lơ 09)
Khí tự
do

Khí đồng
hành

Rạng
Đơng
(lơ 09)

84,77
7,22
3,46
1,70

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

77,62
10,04
5,94
2,83

Ruby
(lơ 09)
78,02
10,67
6,70
1,74
4

Condensat
0,32
1,30
0,50
0,97
0,38
C5+
N2
0,50
0,33
0,60
CO2
1,00
0,42
0,07
H2 S
Bảng 1.1. Thành phần khí ở bể Cửu Long (% thể tích)

Bảng 1.2. Thành phần khí ở Bể Nam Cơn Sơn(% theo thể tích)
Đại
Lan Tây Lan Đỏ Rồng
Hải Thạch Mộc Tinh
Mỏ
Thành phần
Metan(C1)
Etan(C2)
Propan(C3)
Butan(C4)
Condensat

N2

Hùng
(05-1a)
77,25
9,490
3,380
1,340
0,480
4,500

(06-1)
88,5
4,30
2,40
0,60
1,40
0,30

(06-1)
93,9
2,30
0,50
0,10
0,20
1,60

Đơi
(11-2)
81,41

5,250
3,060
1,470
0,550
0,080

(05-2)

(05-3)

81,00
5.200
2,800
1,500
4,700
0,110

89,44
3,800
1,480
0,710
0,540
0,150

1.1.2. Tình hình ngành cơng nghiệp khí ở Việt Nam
Chính phủ vừa cơng bố Quyết định số 60/QĐ-TTg về việc Phê duyệt Quy hoạch
phát triển ngành công nghiệp Khí Việt Nam đến năm 2025, định hướng đến năm 2035.
Quyết định này đã mở ra năm 2017 khẩn trương và nhiều trọng trách đối với tồn ngành
Cơng thương mà đặc biệt là Tập đồn Dầu khí Việt Nam, trong đó có PV GAS.
Quan điểm phát triển của Quy hoạch nhằm thực hiện các mục tiêu về lĩnh vực công

nghiệp Khí trong Chiến lược phát triển ngành Dầu khí Việt Nam đến năm 2025 và định
hướng đến năm 2035 đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt. Phát triển ngành cơng
nghiệp khí Việt Nam sẽ gắn liền với chiến lược và quy hoạch phát triển điện lực quốc gia,
nhằm sử dụng hiệu quả nguồn nhiên liệu sạch, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng
quốc gia, giảm phát thải khí nhà kính. Việc phát triển đồng bộ, hiệu quả ngành cơng
nghiệp Khí được liên kết với phát huy các nguồn lực trong nước và đẩy mạnh hợp tác
quốc tế; trên nguyên tắc sử dụng tiết kiệm, hiệu quả, hợp lý nguồn tài nguyên trong nước;
triển khai nhập khẩu khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) song song với việc thu gom các
nguồn khí mới trong nước để bổ sung cho các nguồn khí đang suy giảm, duy trì khả năng
cung cấp khí cho các hộ tiêu thụ. Đặc biệt, cần tiếp tục hoàn thiện hệ thống cơ sở hạ tầng
5


thu gom, vận chuyển, xử lý khí trên nguyên tắc sử dụng tối đa công suất hệ thống hạ tầng
hiện hữu, từng bước xây dựng và hoàn thiện cơ sở hạ tầng hệ thống kho chứa, nhập khẩu,
phân phối LNG; Đẩy mạnh đầu tư chế biến sâu khí thiên nhiên, đa dạng hóa sản phẩm
nhằm nâng cao giá trị sử dụng của khí và hiệu quả của sản phẩm khí trong nền kinh tế.
Nền cơng nghiệp Khí Việt Nam sẽ được tập trung đầu tư để hoàn chỉnh, đồng bộ tất
cả các khâu, từ khai thác - thu gom - vận chuyển - chế biến - dự trữ - phân phối khí và
xuất nhập khẩu sản phẩm khí; đảm bảo thu gom 100% sản lượng khí của các lơ/mỏ mà
PVN và các nhà thầu dầu khí khai thác tại Việt Nam. Phấn đấu sản lượng khai thác khí cả
nước giai đoạn 2016 - 2035 như sau:
Giai đoạn 2016 - 2020: Sản lượng khai thác khí đạt 10 - 11 tỷ m3/năm;
Giai đoạn 2021 - 2025: Sản lượng khai thác khí đạt 13 - 19 tỷ m3/năm;
Giai đoạn 2026 - 2035: Sản lượng khai thác khí đạt 17 - 21 tỷ m3/năm.
Về nhập khẩu, phân phối LNG, Chính phủ chỉ đạo nghiên cứu, tìm kiếm thị trường
và đẩy nhanh việc xây dựng hệ thống cơ sở hạ tầng kho cảng để sẵn sàng tiếp nhận, nhập
khẩu LNG với mục tiêu cho từng giai đoạn như sau: Giai đoạn 2021 - 2025 đạt 1 - 4 tỷ
m3/năm; Giai đoạn 2026 - 2035 đạt 6 - 10 tỷ m3/năm. Về phát triển thị trường tiêu thụ khí,
nước ta sẽ tiếp tục phát triển thị trường điện là thị trường trọng tâm tiêu thụ khí (bao gồm

LNG nhập khẩu) với tỷ trọng khoảng 70 - 80% tổng sản lượng khí, đáp ứng nguồn nhiên
liệu khí đầu vào để sản xuất điện.
Ngồi ra, Việt Nam cũng định hướng phát triển lĩnh vực hóa dầu từ khí, tăng cường
đầu tư chế biến sâu khí thiên nhiên để nâng cao giá trị gia tăng sản phẩm khí, tạo ra các
nguyên, nhiên, vật liệu để phục vụ phát triển sản xuất công nghiệp trong nước, hướng tới
xuất khẩu, giảm tỷ trọng nhập siêu. Tiếp tục duy trì và mở rộng hệ thống phân phối khí
cho các hộ tiêu thụ công nghiệp, giao thông vận tải, sinh hoạt đô thị nhằm mục đích bảo
vệ mơi trường và nâng cao giá trị sử dụng của khí. Phát triển đồng bộ hệ thống phân phối
khí thấp áp và hệ thống phân phối khí nén thiên nhiên (CNG) làm tiền đề để phát triển hệ
thống phân phối khí cung cấp cho giao thơng vận tải. Phấn đấu phát triển thị trường khí
với quy mô: Giai đoạn 2016-2020 đạt 11-15 tỷ m3/năm. Giai đoạn 2021 - 2025 đạt 13-27
tỷ m3/năm. Giai đoạn 2026-2035 đạt 23-31 tỷ m3/năm. Để hoàn thiện cơ sở hạ tầng tồn
trữ, kinh doanh, phân phối khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), cần mở rộng công suất các kho
LPG hiện hữu kết hợp với xây dựng các kho LPG mới để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ trong
nước với quy mô khoảng 3,5-4,0 triệu tấn/năm vào năm 2025 và đạt quy mô khoảng 4,55,0 triệu tấn/năm vào năm 2035, bảo đảm đáp ứng yêu cầu dự trữ tối thiểu đạt hơn 15
ngày cung cấp. Phấn đấu đáp ứng 70% thị phần LPG tồn quốc.
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 mơi trường xung quanh bởi lẽ
trong khí tự nhiên và khí đồng hành ta cịn thu được các chất
6


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.
Cho đến nay Việt Nam đang khai thác 6 mỏ dầu và 1 mỏ 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 m 3/khí,
đã bắt đầu khai thác từ tháng 12 năm 1981 với trên 450 m 3/khí
phục vụ cho cơng nghiệp địa phương và là nguồn ngun liệu cho
cơng 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, Ru Bi 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
Bungakelwa. Các nước đang khai thác dầu mỏ BungaOrkid,
Bunga Parkma, Bunga Rây tại khu vực thoả 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 cơng nghiệp dầu khí ở
Cà Mau – Cần Thơ.

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

Hiện nay, nguồn cung cấp khí đốt cho các hộ tiêu thụ khu vực
Đơng Nam Bộ chủ yếu là từ hai bể Nam Côn Sơn và Cửu Long. Tuy
nhiên do sự sụt giảm đáng kể về sản lượng cũng như chất lượng của
các nguồn cung cấp khí này, nên nhu cầu cấp thiết đặt ra là phải tìm
kiếm nguồn cung cấp với trữ lượng lớn ổn định và đạt yêu cầu về chất
lượng tốt trong tương lai.
Q trình thăm dị và khai thác thử đã cho tín hiệu tốt tại vùng bể
Cửu Long với sự kiện đón nhận dịng sản phẩm khí đầu tiên tại mỏ Sư
Tử Trắng vào ngày 15/11/2012 [20]. Dự kiến Mỏ Sư Tử Trắng có thể có
trữ lượng tới 170 tỉ m3 khí so với khoảng 58 tỉ m3 khí với sản lượng khai
7


thác 2,7 tỉ m3/năm của mỏ Lan Tây-Lan Đỏ nằm trong bồn trũng Nam
Côn Sơn.
Xuất phát từ nhu cầu về sản lượng khí đốt cũng như các sản phẩm
khí như LPG đang tăng đáng kể trong khi lượng cung cấp lại có chiều
hướng giảm trong những năm tới nên việc vận hành và đưa vào hoạt
động Dự án khí Nam Cơn Sơn 2 (nguồn khí từ các mỏ ở bể Nam Côn
Sơn và Cửu Long) là rất cần thiết. Ở thời điểm hiện tại nước ta chỉ mới
có hai nhà máy chế biến khí là Dinh Cố và Nam Cơn Sơn 1 đang hoạt
động.
Trong phạm vi đồ án này, nhận thấy tiềm năng dồi dào của nguồn
khí đồng hành kết hợp với nhu cầu cung ứng cấp thiết các sản phẩm
thu được từ cơng nghệ chế biến khí đồng hành như LPG, condensat,…
Em chọn nguồn cung cấp khí nguyên liệu từ mỏ Sư Tử Trắng. Trữ lượng
và thành phần khí được trình bày dưới đây.
-

Thành phần và thơng số hỗn hợp khí:

Bảng 1.3. Thành phần khí mỏ Sư Tử Trắng (% thể tích) [12]
Cấu
tử
N2
CO2
CH4
C2
C3
iC4
nC4
iC5
nC5

Phần
mol
(%)
0.0874
0.0555
79.0977
9.0128
5.2973
1.654
2.326
0.6184
0.6463

Cấu tử

C6
C7

C8
C9

Phần
mol
(%)
0.7420
0.3178
0.0895
0.0499

Hình 1.1. Các mỏ

khí bể Cửu Long và Nam Côn Sơn [13]
1.2.

Các phương pháp chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành
1.2.1. Phương pháp chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ

Tiến hành chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ ở nhiệt độ
thấp (NNT) từ -25℃ đến -35℃, áp suất cao 3,0 – 4,0 MPa. Đây được coi
8


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. Khí
sau khi được sấy đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt làm nguội và 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 phận
phân tách khí. Ở đó, một phần hydrocacbon đã ngưng tụ được tách ra.
Phần ngưng tụ (gọi là condensat) 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 là phần ngưng tụ đã được tách metan và etan đi qua thiết bị
trao đổi nhiệt vào trong bình chứa, từ đó nó được đưa đi chế biến tiếp.
Phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp để tách benzin từ khí đồng
hành là phương pháp rất tốn kém, để thực hiện được cần có thiết bị
làm lạnh phức tạp. Tuy nhiên do sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản,
mà hiệu quả tách benzin ra khỏi khí đồng hành khá cao và triệt để nên
phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế biến
khí.
1.2.2. Chế biến khí bằng phương pháp hấp thụ
Ngồi chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ thì người ta còn
áp dụng phương pháp hấp thụ để chế biến khí. Phương pháp này dựa
trên cơ sở của 2 quá trình chuyển khối cơ bản: hấp thụ và nhả hấp
thụ.
Bản chất vật lý của quá trình là sự cân bằng giữa dịng khí và dịng
lỏng do sự khuếch tán chất từ pha này sang pha khác. Khi đạt cân
bằng bền động lực, sự khuếch tán được xác định bằng hiệu số áp suất
riêng phần của cấu tử bị tách ra trong pha khí và pha lỏng. Nếu áp suất
riêng phần của cấu tử trong pha khí lớn hơn trong pha lỏng thì xảy ra
q trình hấp thụ (hấp thụ khí bởi chất lỏng).
Ngược lại, nếu áp suất riêng phần của cấu tử bị tách ra trong pha
khí nhỏ hơn trong pha lỏng thì xảy ra quá trình nhả hấp thụ (thốt khí
ra khỏi chất lỏng). Đối với các tính tốn thực tế, động lực của quá trình
hấp thụ được biểu thị chính xác hơn khơng chỉ qua áp suất riêng phần
mà còn qua nồng độ của các cấu tử tương ứng.
Tại các nhà máy chế biến khí, q trình hấp thụ và nhả hấp thụ

được thực hiện trong các tháp hấp thụ và tháp nhả hấp thụ (tháp
9


chưng luyện) có cấu tạo kiểu tháp đĩa hoặc tháp đệm, chất hập thụ
được dùng ở đây là các phân đoạn benzin, kerosen hoặc hỗn hợp của
chúng.
1.2.3. Chế biến khí bằng phương pháp chưng cất
Sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp (CNT) thực hiện quá trình tách các
cấu tử định trước hiệu quả hơn sơ đồ hấp thụ nhiệt độ thấp (HNT) và
thiết bị chế tạo cũng đơn giản hơn.
Khác nhau về mặt nguyên lý giữa hai sơ đồ CNT và NNT là ở chỗ
nguyên liệu đi vào thiết bị sau khi làm lạnh khơng có sự tách sơ bộ mà
được đưa thẳng vào tháp chưng. Tại đó xảy ra sự phân tách riêng biệt
khí ngun liệu thành khí khơ (thoát ra từ đỉnh tháp) và phân đoạn
hydrocacbon nặng (lấy ra từ đáy tháp).
Với 3 sơ đồ công nghệ chế biến khí nói trên thì ta rút ra được một
số nhận xét sau: Từ những ưu điểm và phạm vi cơng dụng của mỗi
cơng nghệ thì phương pháp chế biến khí bằng NNT đem lại hiệu quả
cao nhất. Phương pháp này phù hợp với điều kiện chế biến khí đồng
hành với năng suất công nghệ vừa và nhỏ, hệ số tách cấu tử chính là
75% propan. Mặt khác, trong tình hình kinh tế của đất nước ra hiện nay
thì đây là một cơng nghệ chế biến khí đơn giản, và khả thi nhất.
1.3.

Cơ sở hố lý của q trình ngưng tụ nhiệt độ thấp
1.3.1. Khái niệm về quá trình ngưng tụ

Ngưng tụ là q 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 cịn gọi là ngưng tụ bề mặt): là
q 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 dịng đối lưu tự nhiên cản trở
q trình chuyển động của lưu thể. Khí đi từ trên xuống để chất
lỏng ngưng tụ chảy dọc xuống tự do và dễ dàng.
Q trình ngưng tụ trực tiếp (hay cịn gọi là ngưng tụ hỗn hợp):
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.
10


1.3.2. 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 bỏ qua một vài tổn thất áp suất khi khí chuyển động
trong đường 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
tử, do đó q trình chuyển pha và các vùng tới hạn của chúng khác
nhiều so với các quá trình tương ứng của các chất tinh khiết.
Đối với chất riêng biệt bao giờ cũng tồn tại điểm tới hạn và tương
ứng với điểm đó là nhiệt độ và áp suất tới hạn. Khi nhiệt độ cao hơn

nhiệt độ tới hạn thì chất đó sẽ tồn tại ở trạng thái một pha. Khi đó dù
có thay đổi giá trị của bất kỳ tổ hợp các thơng số nào thì cũng khơng
thể đưa chất đó về trạng thái hai pha được.
Ví dụ: Nhiệt độ tới hạn của CH4 là Tc = 190,55K nhưng với mơi
trường có nhiệt độ Tmt = 298K thì Tc < Tmt. Do đó nếu nén khí ở nhiệt độ
mơi trường thì cho dù có tăng áp suất tới 500 atm thì CH 4 cũng khơng
hố lỏng, khi đó ta chỉ thu được khí CH4. Vậy để hố lỏng CH4 ta phải hạ
nhiệt độ của CH4 xuống khoảng 111K (dưới nhiệt độ sôi của CH4 TsCH4 =
111,6K với áp suất khí quyển).
Điều này có nghĩa là q trình hố lỏng một phần hay tồn bộ khí
một cấu tử bằng phương pháp nén chỉ thực hiện được khi hạ nhiệt độ
khí đó xuống dưới nhiệt độ tới hạn.
1.3.3. Q trình chuyển pha của khí đồng hành
1.3.3.1.

Q trình chuyển pha đối với khí một cấu tử [4]

Q trình chuyển pha đối với hệ khí một cấu tử ta có thể biểu diễn
trên trục toạ độ P – T trong đó trục tung là áp suất và trục hồnh là
nhiệt độ.

11
Hình 1.2. Giản đồ pha hệ một cấu tử


Hình 1.1. Giản đồ pha hệ một cấu tử
-

-

Đường HD, HC và FH là các đường cân bằng bao gồm tập hợp các
giá trị áp suất, nhiệt độ tại đó có cân bằng pha.
Điểm H là điểm duy nhất tại nhiệt độ và áp suất xác định đồng
thời tồn tại ba pha nằm cân bằng với nhau. Tại đường cân bằng ở
nhiệt độ và áp suất khơng đổi hệ có thể chuyển pha bằng cách
thêm vào hoặc bớt năng lượng của hệ.
Dọc theo đường FH không tồn tại pha lỏng, và pha rắn thăng hoa
thành hơi.
Đường HC là đường bão hoà hoặc cân bằng giữa hai pha lỏng và
hơi.
Điểm C là điểm tới hạn ứng với nhiệt độ tới hạn Tc và áp suất tới
hạn Pc. Tại điểm này, các tính chất của pha lỏng và pha hơi trở
thành đồng nhất.

Đối với đơn chất điểm tới hạn được định nghĩa: là điểm mà phía
trên nó pha lỏng khơng thể tồn tại như một pha độc lập. Hay nói cách
khác phía trên điểm tới hạn khí khơng thể bị hố lỏng bằng cách nén
áp suất cao.
Đường HC thường gọi là đường áp suất hơi hay đường cong điểm
sương và đường cong điểm bọt của đơn chất.
Xét quá trình pha đẳng áp của hệ một cấu tử trên hình 1.1:
- Từ “m” > “n” hệ ở trạng thái rắn.
- Từ “o” đến “b”: hệ ở trạng thái lỏng. Tại “b” hệ ở trạng thái lỏng
bão hồ. Bất kì sự cung cấp năng lượng nào cũng làm cho lỏng
hoá thành hơi ở nhiệt độ và áp suất không đổi.
- Tại “d”: hệ ở trạng thái hơi bão hoà,. Tiếp tục tăng nhiệt độ sẽ
nhận được hơi quá nhiệt.
-

1.3.3.2.

Giản đồ pha hệ nhiều cấu tử

Đối với hệ nhiều cấu tử, vị trí của các đường cong trên giản đồ pha
phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp và các đường bao pha tạo
thành không phải là một mặt phẳng, mà có chiều dày như hình cái lưỡi
với thành phần là biến số phản ánh chiều dày của đường bao pha. Trên
hình 1.2 thể hiện giản đồ pha hệ nhiều cấu tử trong đó trục tung là áp
suất và trục hoành là nhiệt độ.
12


Hình 1.3. Giản đồ pha hệ nhiều cấu tử
-

Điểm C là điểm tới hạn, tại đó hai pha trở thành một pha.
Điểm M là điểm tương ứng với áp suất lớn nhất mà tại đó hỗn hợp
nhiều cấu tử tồn tại ở trạng thái hai pha.
Điểm N là điểm tương ứng với áp suất lớn nhất mà tại đó hỗn hợp
nhiều cấu tử tồn tại ở trạng thái hai pha.

Bên trái đường cong điểm bọt hệ tồn tại ở trạng thái lỏng khi bắt
đầu chạm tới đường cong điểm bọt thì hệ khí bắt đầu xuất hiện những
bọt khí. Khi sang đường cong điểm sương thì tồn bộ hỗn hợp khí trở
thành hơi từ đường cong điểm bọt và đường cong điểm sương là miền
mà tồn tại cân bằng giữa hai pha lỏng và hơi.
-

-

-

Đường ABDE: biểu diễn quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt suy biến
điển hình trong các mỏ khí condensat. Điểm A biểu diễn pha lỏng
chặt nằm bên ngoài đường bao pha khi giảm áp suất tới điểm B
bắt đầu quá trình ngưng tụ. Tiếp tục giảm áp suất lượng lỏng hình
thành nhiều hơn từ điểm “A” đến “D” nằm trong miền suy biến
được tạo bởi các điểm thay đổi độ dốc của các đường pha.
Khi tiếp tục giảm áp suất ra khỏi miền suy biến đi từ D tới E thì
lượng lỏng giảm dần cho tới khi đạt điểm sương (E). Phía dưới E
khơng cịn trạng thái lỏng, chỉ còn trạng thái hơi.
Điểm tới hạn C của hỗn hợp khí hydrocacbon ở phía bên trái của
điểm N – điểm ứng với áp suất cực đại sự hình thành pha lỏng và
pha hơi. Vị trí của điểm C là quan trọng nhất, vì nó ảnh hưởng
đến sự thay đổi hướng của các đường lỏng hơi bên trong đường
bao pha.
13


Ngồi ra, các tạp chất phi hydrocacon trong khí như nước, CO 2,
H2S, N2 cũng có những ảnh hưởng đáng kể đến đường bao pha:
- Nước có áp suất hơi thấp và không tan lẫn trong hydrocacbon
lỏng nên chỉ ảnh hưởng đến đường bao pha của hỗn hợp ở điều
kiện nhiệt độ cao và áp suất thấp.
- H2S, CO2 làm giảm điểm áp suất cực đại tồn tại hơi và lỏng của
hỗn hợp.
- N2 làm tăng điểm áp suât cực đại tồn tại hơi và lỏng của hỗn hợp
và giảm khả năng trộn lẫn.
1.3.4. Hằng số cân bằng pha
Cân bằng pha lỏng – hơi của hỗn hợp không phải trạng thái tĩnh

mà là cân bằng động, vẫn luôn tồn tại sự chuyển động của các phân tử
từ pha lỏng sang pha hơi và ngược lại. Tốc độ bay hơi và ngưng tụ
bằng nhau [1].
Đại lượng đặc trưng cho sự phân bố của các cấu tử giữa các pha ở
điều kiện cân bằng là hằng số cân bằng pha K được xác định bằng
phương trình:
Ki 

yi
xi

Trong đó: yi là phần mol của cấu tử i trong pha hơi;
xi là phần mol của cấu tử i trong pha lỏng.

Có nhiều phương pháp khác nhau để xác định hằng số cân bằng
pha của hệ nhiều cấu tử:
- Phương pháp giải tích: sử dụng các phương trình trạng thái khác
nhau, tính tốn hệ số fugat và hoạt độ của cấu tử, để từ đó xác
định hằng số cân bằng pha.
- Phương pháp giản đồ: sử dụng các giản đồ biểu diễn các giá trị
của K tại áp suất và nhiệt độ xác định của từng chất. Phương
pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ xác định, sai số từ 5 – 10%.
Phổ biến nhất hiện nay là sử dụng các giản đồ NGPA và Neyrey.
1.3.5. Phương pháp tính thành phần lỏng – hơi
Xét phương trình cân bằng vật liệu tồn hệ [1]:
F V  L

Cân bằng vật liệu với từng cấu tử:

FCi  Vyi  Lxi

Trong đó:

là số mol nguyên liệu vào tháp tách;
V là số mol pha khí nhận được từ F mol nguyên liệu;
L là số mol pha lỏng nhận được từ F mol nguyên liệu;

F

14


Ci

là phần mol cấu tử i trong dòng nguyên liệu;
yi
là phần mol cấu tử i trong dịng khí V ;
xi

Giả sử

F  1,

là phần mol cấu tử I trong dòng lỏng

ta có Ci  yiV  xi L.

L;

Đồng thời, theo định nghĩa hằng số cân bằng pha có yi  Kxi , ( K i là

hằng số cân bằng pha lỏng – hơi) từ đó ta có:
xi 

Ci
Ci
yi 
(*)
V   L / Ki 
L  V .K i ;

Tổng phần mol của các cấu tử phải bằng 1, do đó:
Ci

�x  �L  V .K
i

i

Ci
 1;�yi  �
 1(**)
V   L / Ki 

Bằng phương pháp lặp, chọn các giá trị
thức trên là đúng.
Mặt khác, có thể viết

�y  �x
i

i

L

hoặc V sao cho các biểu

0

Ci  Ki  1
0
i  1  1

�y  �x  �V  K
i

i

Biểu thức trên là biểu thức tổng quát nhất thường được sử dụng
trong lập trình tính tốn trên máy vi tính với trình tự tính tốn như sau:
1. Tìm K ở giá trị áp suất và nhiệt độ của hệ hai pha (điều kiện
của tháp tách).
2. Chọn V hoặc L.
3. Tính các biểu thức (*) hoặc (**).
4. Nếu biểu thức thoả mãn thì phép tính hồn thành.
Nếu chưa đúng thì lặp lại từ bước 2 đến bước 4.
5. Tính thành phần phần mol trong pha lỏng xi và trong pha hơi
yi

.

6. Tính số mol cấu tử i (được kí hiệu là Yi ) trong V mol pha hơi.
Tính số mol cấu tử i (được kí hiệu là X i ) trong L mol pha lỏng.
1.4.

Tổng quan về các công nghệ chế biến khí bằng phương
pháp NNT
1.4.1. Phân loại các sơ đồ cơng nghệ

Để chế biến khí theo phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp (NNT)
có rất nhiều cơng nghệ khác nhau. Có thể phân chia theo các đặc điểm
sau:
- Theo số loại phân ly cơ bản;
15


- Theo loại nguồn nhiệt lạnh;
- Theo loại sản phẩm cuối.
Tuy nhiên, hiện nay người ta thường phân loại các công nghệ theo kiểu
nguồn lạnh, như sơ đồ phân loại sau đây:

sản
-

Theo kiểu phân chia nói trên kết hợp cùng số bậc phân ly và dòng
phẩm cuối mong muốn, ta có các 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 nhận C2+;

Sơ đồ NNT hai bậc có chu trình làm lạnh ngồi bằng propan và
etan để nhận C2+;
Sơ đồ NNT 3 giai đoạn;
Sơ đồ nhà máy chế biến khí sử dụng tuabin giãn nở khí;
Sơ đồ NNT hai bậc có tuabin giãn nở khí, tiết lưu dòng chất lỏng
để nhận C3+;
Sơ đồ NNT một bậc để nhận C3+ có chu trình làm lạnh tổ hợp;
Sơ đồ NNT hai bậc để nhận C3+ có chu trình làm lạnh tổ hợp (làm
lạnh ngoài bằng propan và tiết lưu dòng chất lỏng).
Sơ đồ NNT hai bậc để nhận C3+ có chu trình làm lạnh tổ hợp (làm
lạnh ngồi bằng propan, tiết lưu dòng chất lỏng và tuabin giãn nở
khí).
16


-

Sơ đồ NNT ba bậc để nhận C3+ có chu trình làm lạnh tổ hợp.
1.4.2. Các cơng nghệ chế biến khí bằng phương pháp NNT

Dựa vào số bậc tách, kiểu nguồn lạnh và cách đưa sản phẩm ra thì
ta có các sơ đồ cơng nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ
nhiệt độ thấp khác nhau. Theo đó mỗi loại cơng nghệ đều có những ưu,
nhược điểm và phạm vi ứng dụng riêng biệt.
Xét một số sơ đồ công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng
tụ nhiệt độ thấp sau đây [1]:
1.4.2.1. Sơ đồ NNT một bậc để nhận C3+ có chu trình làm
lạnh ngồi sử dụng tác nhân propan và tháp tách
sơ bộ etan.

Hình 1.4. Sơ đồ NNT có tách sơ bộ etan
Nguyên lý hoạt động:
Trước khi chế biến, khí nguyên liệu được đưa vào bộ phận tách khí
sơ bộ, tại đây hỗn hợp khí được làm sạch khỏi các tạp chất cơ học và
các hạt chất lỏng như dầu, nước, hơi ngưng,…
Sau khi được làm sạch sơ bộ, khí được đưa vào máy nén (1). Tại
đây khí được nén đến áp suất 3,0 – 4,0 MPa và cao hơn. Khí nén đi qua
thiết bị làm mát bằng khơng khí (2), làm lạnh tới nhiệt độ khoảng -20℃
đến -35℃ lần lượt trong các thiết bị trao đổi nhiệt (3), (4) và (5) do
dịng lạnh của khí khơ và chất lỏng ngưng tụ từ tháp phân tách (7) và
(8). Tại đó, các hydrocacbon đã ngưng tụ được tách ra. Từ đỉnh tháp
-

17


(7), khí khơ thốt ra, sau khi truyền nhiệt ở bộ phận trao đổi nhiệt (4)
được đưa vào đường ống dẫn khí chính.
Phần ngưng tụ từ bộ phận phân tách (7) được bơm đến bộ phận
trao đổi nhiệt (5), tại đây nó được nâng nhiệt độ lên do dịng khí nhiên
liệu vào. Sau đó chất lỏng ngưng tụ được đưa vào tháp tách (8). Do q
trình đốt nóng sơ bộ condensat ở trong tháp tách (8), một phần các
cấu tử dễ bay hơi (chủ yếu là C1, C2, và một ít C3) được bay hơi lên đỉnh
tháp tách (8), sau đó được trộn lẫn với dịng khí ngun liệu trước khi
vào bộ phận ngưng tụ (6). Condensat đã tách một phần etan được lấy
ra từ đáy tháp (8) qua bộ phận trao đổi nhiệt (4) rồi đi vào tháp tách
etan (9).
Như vậy nguyên liệu đi vào tháp tách etan (9) đã được tăng tỷ
trọng và với lượng ít hơn so với sơ đồ NNT một bậc. Điều đó cho phép
tăng nhiệt độ đỉnh tháp (9) và giảm tác nhân làm lạnh cần thiết cho

quá trình, cũng như làm giảm lượng nhiệt cần để bay hơi các cấu tử dễ
bay hơi ở các tháp tách (7), (8). Mặt khác, cần tăng tác nhân lạnh để
làm lạnh khí nguyên liệu trước khi vào tháp 7 do cần phải làm lạnh cả
khí tuần hoàn lấy ra ở đỉnh tháp (8). Tuy nhiên, kết quả về mặt năng
lượng tổng vẫn có lợi.
Lượng tác nhân lạnh cần thiết để ngưng tụ khí trước khi vào tháp
tách (7) vsf ngưng tụ khí trên đỉnh tháp tách etan (9) cũng như lượng
nhiệt cần cung cấp cho đáy tháp tách etan (9), khi chế biến khí đồng
hành cũng có thành phần xác định phụ thuộc vào nhiệt độ cần thiết
của condensat trong bộ phận trao đổi nhiệt (5).
- Ưu điểm:
 Lấy được nhiệt từ nguyên liệu đưa vào.
 Tăng hiệu quả so với chu trình khơng tách sơ bộ etan do có tỷ
trọng lớn hơn (vì ít cấu tử nhẹ).
 Tháp tách etan có thể làm việc ở nhiệt độ cao hơn do vậy tiết
kiệm được lượng tác nhân lạnh cần thiết cho quá trình.
- Nhược điểm: Vốn đầu tư lớn và thiết kế phức tạp hơn chu trình
khơng tách sơ bộ etan do có thêm tháp tách.

18


1.4.2.2. Sơ đồ NNT ba bậc nhận C3+ với chu trình làm lạnh
bằng propan

Hình 1.5. Sơ đồ NNT ba giai đoạn
Nguyên lý hoạt động:
Đối với sơ đồ ba bậc có chu trình làm lạnh ngồi bằng propan,
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 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 một lần nữa lại được tách riêng: pha hơi đưa vào
ngưng tụ nhiệt độ thấp ở bậc thứ ba, ở đó hơi được ngưng tụ đến nhiệt
độ đã chọn và lại 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 cũng có những ưu và nhược điểm
riêng. Với quá trình ngưng tụ một bậc, lượng lỏng tạo ra nhiều hơn so
với nhiều bậc. Tuy nhiên, trong quá trình ngưng tụ một bậc, pha lỏng
có chứa các cấu tự dễ bay hơi nhiều hơn. Có nghĩa độ chọn lọc của q
trình ngưng tụ một bậc thấp hơn. Điều đó dẫn đến tăng lượng mất mát
-

19


các sản phẩm nhẹ metan và etan. Mặt khác, khi sử dụng sơ đồ NNT
nhiều bậc, kinh phí phải bỏ ra nhiều hơn.
Từ đó, ta rút ra được một số đặc điểm của cơng nghệ NNT sử dụng
chu trình làm lạnh ngồi như sau:
- Ưu điểm: Sử dụng chu trình làm lạnh ngoài nên thiết bị đơn giản,
vốn đầu tư ít, dễ dàng triển khai.
- Nhược điểm: Công nghệ này có độ chọn lọc khơng cao do năng
lượng tiêu tốn nhiều để ngưng tụ các cấu tử nhẹ dễ sôi. Để khắc
phục nhược điểm này, ta sử dụng các công nghệ NNT nhiều bậc
cho độ phân chia cao.
- Phạm vi ứng dụng: Ứng dụng đối với hỗn hợp khí có độ phân tách

các cấu tử chính khơng lớn, năng suất công nghệ cao.
1.4.2.3. Sơ đồ NNT hai bậc để tách C3+ có tuabin giãn nở
khí, tiết lưu dịng chất lỏng

Hình 1.6. Sơ đồ NNT làm lạnh trong có tuabin giãn nở khí,
tiết lưu dịng chất lỏng
Ngun lý hoạt động:
Khí có áp suất 5,2 MPa đi vào tháp tách (1), tách các giọt lỏng ra
khỏi hỗn hợp khí. Khí sau khi ra khỏi tháp tách được đưa vào thiết bị
trao đổi nhiệt (2), (3) và (4) để làm lạnh nhờ dòng khí khơ và
condensat từ bộ phận thổi gió (8) có nhiệt độ -54℃ đi ngược chiều. Sau
đó, khí vừa được làm lạnh sẽ được dẫn đến tháp tách (5). Trước khi vào
các thiết bị trao đổi nhiệt, người ta bơm methanol vào khí.
-

20


Trong tháp tách ba pha số (5), methanol bão hoà hơi nước, các
hydrocacbon ngưng tụ và khí được tách riêng. Dung dịch methanol
trong nước được tái sinh ở 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 -84℃. Khí tạo thành
nhờ sự tiết lưu này được dẫn vào đường ống dẫn khí khơ, cịn
condensat qua thiết bị trao đổi nhiệt (2) vào phần giữa của tháp tách
etan (10).
Khí từ tháp tách (5) được dẫn qua tuabin giãn nở khí (6), tại đây áp
suất cũng giảm xuống 1,8 Mpa, sau đó được dẫn vào tháp tách (9) trên
đỉnh tháp (10). Khí từ tháp tách (9). Khí từ đỉnh tháp tách (9) sau khi
truyền nhiệt ở thiết bị trao đổi nhiệt số (3) và (4) thì dẫn qua máy nén

tăng áp đến 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:
 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 các hydrocacbon nặng.
 Ngoài ra việc sử dụng tuabin giãn nở khí có khả năng tự động hố
hồn tồn, có thể xây dựng 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.
 Cơng nghệ NNT sử dụng chu trình làm lạnh trong vừa cho độ
phân tách cao, vừa cho phép làm việc ở nhiệt độ làm lạnh sâu.
- Nhược điểm: Thiết bị thường cồng kềnh, phức tạp, vốn đầu tư lớn.
- Phạm vi ứng dụng: Áp dụng đối với hỗn hợp khí có thành phần C 3+
khơng q 70 – 75 g/m3 với hệ số tách cấu tử chính là 85%
propan và hầu hết các cấu tử hydrocacbon nặng. Khí khô sau khi
chế biến được đưa thẳng đi tiêu thụ ở áp suất 2,1 MPa.
1.4.2.4. Sơ đồ NNT hai bậc nhận C3+ có chu trình làm lạnh tổ hợp
(chu trình làm lạnh ngồi bằng propan, tiết lưu dịng chất lỏng)

21


Nguyên lí hoạt động: Ở bậc 1 làm lạnh khí do chu trình làm lạnh ngồi
bằng propa, cịn bậc 2 làm lạnh do sự tiết lưu condensat từ tháp tách của bậc này và một
phần condensat từ tháp tách bậc 1. Khí đồng hành được nén đến áp suất 3,7 MPa được
làm lạnh tiếp trong thiết bị trao đổi nhiệt khơng khí 2, thiết bị trao đổi nhiệt 3, 4 và bộ
phận bốc hơi propan 5, nhiệt độ của dòng khí giảm đến -30℃ và một phần được
ngưng tụ. Hệ hai pha vừa được tạo thành được phân tách trong tháp

tách 6. Khí tách ra của bậc 1 được làm lạnh tiếp đến -64℃ do nguồn
lạnh của khí khơ đi ra từ đỉnh tháp 10 của bậc 2 trong thiết bị trao đổi
nhiệt 7, còn condensat của bậc 2 và một phần condensat của bậc 1
được tiết lưu trên các van tiết lưu 19 và 20 đến áp suất 0,3 Mpa, tiếp
tục được làm lạnh trong các thiết bị trao đổi nhiệt 8, 9. Sau khi truyền
lạnh, dòng lỏng được bốc hơi khi tiết lưu, lại được nén bằng máy nén
12 đến áp suất 3,5 Mpa và cùng với một phần condensat cịn lại từ
Sơvào
đồ NNT
nhận
C3+etan
có chu14.
trình làm lạnh tổ hợp
tháp tách 6 củaHình
bậc1.7.
1 đi
tháp
tách
Những tính tốn các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cho thấy rằng, sơ đồ này thích
để chế biến khí có hàm lượng C3+ khoảng 300g/m3. Khí chế biến có thành phần như vậy
sẽ kinh tế hơn. Ưu điểm của sơ đồ này là để nhận được nhiệt độ thấp chỉ yêu cầu 1 tác
nhân làm lạnh và trang thiết bị địi hỏi ít hơn.
1.4.2.5. Sơ đồ NNT hai bậc nhận C3+ có chu trình làm lạnh
tổ hợp (chu trình làm lạnh ngồi bằng propan, tiết
lưu dịng chất lỏng và tuabin giãn nở khí)

22


Hình 1.8. Sơ đồ NNT nhận C3+ có chu trình làm lạnh tổ hợp

(turbo expander)
Nguyên lý hoạt động:
Khí nguyên liệu được nén đến 4,0 MPa, sau khi làm sạch khỏi CO 2
và sấy bằng chất hấp phụ rắn, được đưa vào ngưng tụ nhiệt độ thấp.
Một phần khí đi vào các thiết bị bay hơi (1), (3), (5) và các thiết bị trao
đổi nhiệt (2), (4). Tại đây khí được làm lạnh đến -30℃, được trộn lẫn
với một phần khí đã được làm lạnh đến cùng nhiệt độ đó bằng
condensat từ tháp tách (10). Condensat từ tháp tách (10) được tiết lưu
đến áp suất 1,7 MPa và sau khi truyền lạnh có nhiệt độ 20℃ được dẫn
tới tháp tách etan (16).
Từ tháp tách (10), khí sau khi được làm lạnh bởi khí khơ đi ra từ
đỉnh tháp tách etan (16) đạt nhiệt độ -51℃ được dẫn vào tháp tách
nhiệt độ thấp (11). Tại đây khí được tách ra khỏi condensat và có nhiệt
độ -51℃, áp suất 3,7 MPa đi vào tuabin (13). Condensat từ tháp tách
nhiệt độ thấp (11) được dẫn qua van tiết lưu (15), áp suất của khí giảm
đến 1,8 MPa và đưa vào tháp tách etan (16). Trong tuabin giãn nở khí
(13), áp suất giảm đến 1,8 MPa, khi đó một phần khí bị ngưng tụ, được
làm lạnh đến -78℃. Khi cùng condensat từ tuabin (13) được dẫn đến
phần trên của tháp tách etan (16).
Phần hydrocacbon nặng lấy từ đáy tháp (16) có nhiệt độ 69℃ được
dẫn đi chế biến tiếp. Khi khô từ đỉnh tháp sau khi truyền lạnh được nén
-

23


đến 2,0 MPa trong máy nén (12) nhờ năng lượng từ tuabin (13) và tiếp
tục được nén đến 4,0 MPa nhờ máy nén (7).
- Phạm vi ứng dụng: Ứng dụng với hàm lượng C3+ trong khí đồng
hành khoảng 300 g/m3 và hệ số tách propan là 90%.

Phân tích lựa chọn cơng nghệ

1.5.

1.5.1. So sánh các cơng nghệ chế biến khí
1.5.1.1.

NNT với HNT và CNT
Bảng 1.4. So sánh tính chất của cơng nghệ NNT, HNT
và CNT
NNT

Bản
chất

Tách các khí khác
nhau (khí khơ C1, C2
và C3+) ra khỏi hỗn
hợp khí bằng cách
ngưng tụ, phân
thành 2 pha lỏng hơi để tách.

P= 3 – 4 MPa, T=
-20 đến -70℃,
khâu làm lạnh
Đặc
(bằng bay hơi
điểm propan hoặc turbo
công expander) là quan
nghệ trọng nhất, công

nghệ thường gồm
làm lạnh, tách pha,
chưng.
Mức độ tách cao
hơn nếu khí gầy.
Hiệu
Đối với khí trung
quả
bình, hiệu quả tách
tách
có thể tương đương
HNT.

HNT

CNT
Tách các khí khác
Tách các khí khác nhau (khí khơ C1, C2 và
nhau (khí khô C1, C3+) ra khỏi hỗn hợp
C2 và C3+) ra khỏi khí bằng đưa thẳng
hỗn hợp khí bằng vào tháp chưng, khí ra
cách dùng dung
ở đỉnh tháp,
mơi hấp thụ C3+. hydrocacbon nặng lấy
ra ở đáy tháp.
P=3 – 7 MPa, T=30 đến -40℃,
khâu hấp thụ là
P=2,5 – 3,5 MPa, T=quan trọng nhất, 20 đến -30℃, khâu
công nghệ gồm
chưng cất là quan

hấp thụ (bằng
trọng nhất, chia thành
dung môi là phân chưng – bốc hơi và
đoạn kerosen),
ngưng tụ - bốc hơi.
hấp thụ bốc hơi,
nhả hấp thụ.
Mức độ tách có
thể thấp hơn nếu
khí gầy.

Mức độ tách cao hơn
nếu khí béo.

24


CNT cho hiệu quả tốt
hơn khi hàm lượng C3+
> 400 g/m3. Khi đó,
CNT là giải pháp duy
nhất cho hiệu quả
tách tốt.
Bảng 1.5. So sánh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của các sơ đồ [1]

Cả 2 quá trình đều hiệu quả với khí có
Phạ
hàm lượng C3+ từ 250 – 350 g/m3. NNT
m vi
cho hiệu quả tốt hơn khi hàm lượng

ứng
C3+ < 250g/m3. Khi đó, NNT là giải
dụng
pháp duy nhất cho hiệu quả tách tốt.

Sơ đồ
NNT

Sơ đồ
CNT một
đầu vào
66,3
79,2
39,2
34,4

Sơ đồ
CNT hai
đầu vào
73,1
82,3
39,2
35,6

Khả năng tách C3, %
76,0
Khả năng tách C3+,%
83,2
6
Lượng lạnh 10 kJ/h

52,5
Lượng nhiệt 106 kJ/h
46,0
3
Hydrocacbon nặng 10
180,18
174,35
179,17
tấn/năm
Tiêu hao năng lượng,
30,5
24,2
23,2
kW/h
Từ bảng số liệu trên, với thành phần dịng khí ngun liệu vào là
như nhau, ta thấy lượng propan và hydrocacbon nặng nhận được nhiều
nhất từ sơ đồ NNT. Sơ đồ CNT tuy tiêu hao ít năng lượng hơn nhưng lại
có hiệu suất tách thấp hơn. Như vậy, trong trường hợp yêu cầu nhận
sản phẩm là propan và các hydrocacbon nặng khi chế biến khí béo có
hàm lượng C3+ < 250 g/cm3 thì sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp là thích
hợp hơn cả, cịn sơ đồ CNT thích hợp chế biến khí có hàm lượng C 3+ >
400 g/cm3.
1.5.1.2. So sánh cơng nghệ NNT sử dụng chu trình làm
lạnh ngồi và làm lạnh trong
Bảng 1.6. So sánh công nghệ NNT sử dụng chu trình làm lạnh ngồi
và
làm lạnh trong
Làm lạnh ngoài

Làm lạnh trong

25