Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Khoa Dầu Khí Lời mở đầu
Bảng 3.3: Một số tính chất của chất hấp phụ dùng để hút ẩm
tải về 0.92 Mb.
|
- Điều hướng trang này:
- Quá trình loại nước của chất hấp phụ
- Sơ đồ công nghệ loại nước bằng phương pháp hấp phụ
- Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp hấp phụ
- Công nghệ làm ngọt khí.
- Công nghệ làm ngọt khí bằng phương pháp hấp thụ.
- Khi lựa chọn chất hấp thụ phải đảm bảo các yêu cầu sau
- Làm ngọt khí bằng phương pháp hấp thụ hoá học (dung môi hoá học).
- Các chất dùng làm dung môi hoá học
- Ưu điểm và nhược điểm khi dùng MEA
- Ưu điểm và nhược điểm khi dùng DEA
- Ưu điểm và nhược điểm khi dùng DIPA
- Ưu điểm và nhược điểm của DGA
- Cơ chế của quá trình hấp thụ hoá học
- Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp hấp thụ hoá học
- Sơ đồ công nghệ làm ngọt khí bằng phương pháp hấp thụ hoá học.
- Các dung môi vật lý thường dùng là
- Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp này
- Làm ngọt khí bằng phương pháp hấp thụ hoá-lý (dung môi tổ hợp)
- Làm ngọt khí bằng phương pháp hấp phụ
- Các phương pháp tách phân đoạn khí
- T ách phân đoạn khí bằng phương pháp ngưng tụ
- Làm lạnh đẳng áp và nén đẳng nhiệt
Bảng 3.3: Một số tính chất của chất hấp phụ dùng để hút ẩm.
Sự hấp phụ kèm theo toả nhiệt, do đó trong quá trình hấp phụ các chất hấp phụ được đốt nóng lên. Sự toả nhiệt phụ thuộc vào khối lượng chất bị hấp phụ và các tính chất hoá lý của chất hấp phụ. Nguyên lý loại nước bằng phương pháp hấp phụ như sau. Cho dòng khí ướt đi qua lớp chất hấp phụ; nước bị giữ lại trong các mao quản của chất hấp phụ, khí khô đi qua lớp chất hấp phụ. Việc tái sinh chất hấp phụ được thực hiện bằng cách đun nóng chất hấp phụ đã hút ẩm nước nhờ dòng khí nóng. Hình 3.2 minh họa quá trình hấp phụ hơi nước trong dòng khí hydrocacbon trong dòng khí trên chất hấp phụ rắn trong tháp hấp phụ. Các chất boxit, silicagel, nhôm hoạt hoá không những hấp phụ nước mà còn hấp phụ cả hydrocacbon. Hydrocacbon càng nặng càng dễ bị hấp phụ. Nước bị hấp phụ tốt nhất.
Sau một thời gian nào đấy căn cứ vào độ bão hoà hơi nước của chất hấp phụ có thể chia lớp hấp phụ thành ba vùng: vùng cân bằng hay là vùng bão hoà ở đấy chất hấp phụ đã chứa một lượng nước cực đại nên nó không hấp phụ nước nữa, vùng thay thế còn gọi là vùng chuyển khối (Mas Transfer Zone-MTZ) ở đó chất hấp phụ chứa cả nước lẫn hydrocacbon nặng và vùng hoạt tính ở đó chất hấp phụ chỉ chứa hydrocacbon mà chưa chứa nước. Theo thời gian vùng cân bằng, vùng thay thế dịch dần xuống dưới vì nước đẩy dẫn hydrocacbon ra khỏi chất hấp phụ. Như vậy sự loại nước khỏi khí chỉ xẩy ra chừng nào mà bề mặt phân cách giữa vùng cân bằng và vùng thay thế chưa đạt đến mép dưới của lớp chất hấp phụ.
Sơ đồ đơn công nghệ đơn giản nhất cho ở hình 3.3. 
Thời gian tái sinh thường dài hơn thời gian thời gian hấp phụ, cho nên người ta thường dùng hệ thống ba tháp tách với thời điểm làm việc là tại bất kỳ thời điểm nào cũng chỉ có một tháp đóng vai trò hấp phụ, còn hai tháp còn lại đóng vai trò tháp tái sinh. Có thể chia quá trình tái sinh ra thành hai giai đoạn: giai đoạn làm nóng chất hấp phụ bão hoà nước để đuổi hơi nước và giai đoạn làm nguội chất hấp phụ nóng không còn chứa nước. Trong lúc một tháp được làm nóng thì tháp kia được làm nguội. Người ta sử dụng chính dòng khí ướt hoặc một phần dòng khí khô ra khỏi tháp hấp phụ để làm phương tiện đun nóng và làm lạnh tháp tái sinh. Dĩ nhiên là khí đó được đun nóng trong lò gia nhiệt trước khi vào tháp đuổi nước và nó sẽ được làm lạnh trước khi quay trở lại tháp hấp phụ.
+ Ưu điểm: khí khô sau khi tách ẩm bằng phương pháp này có điểm sương rất thấp khoảng từ -850C đến -1000C nên rất thuận lợi cho việc vận chuyển và chế biến khí ở những giai đoạn sau. + Nhược điểm: chất hấp phụ rất đắt do đó chi phí cho đầu tư ban đầu cao.
Sự có mặt của H2S, CO2 và các hợp chất của lưu huỳnh trong khí hoàn toàn không có lợi cho quá trình chế biến cũng như vận chuyển vì: + H2S, CO2 và các hợp chất của lưu huỳnh rất độc đặc biệt là H2S, chúng tác động trực tiếp đến sức khoẻ của con người. Thể tích H2S trong khí: ở 0,13 ppm gây cảm giác mùi khó chịu, dễ nhận biết nhất nếu thể tích khí H2S ở 4,6 ppm; từ 100 - 500 ppm sẽ gây ra các triệu chứng như ho, khó thở, hoa mắt nhức đầu; hàm lượng từ 700 ppm trở nên sẽ gây tử vong. Ngoài ra sự có mặt của chúng còn gây ô nhiễm môi trường. + H2S, CO2 kết hợp với hơi nước có trong khí thành axit yếu gây ăn mòn thiết bị, đường ống dẫn khí, bồn chứa v.v... + H2S, CO2 và các hợp chất của lưu huỳnh làm ngộ độc chất xúc tác trong các quá trình chế biến. + Hàm lượng CO2 trong khí nhiều sẽ làm giảm nhiệt trị của khí. Vì những lý do trên việc loại H2S, CO2 và các hợp chất của lưu huỳnh là việc bắt buộc trong quá trình chế biến khí. Khi đó hàm lượng của chúng sẽ được loại đến một giá trị thích hợp mà hai bên mua và bán thoả thuận với nhau nhưng hàm lượng của chúng cũng phải loại đến giá trị phù hợp nào đó để tránh các hiện tượng nêu trên. Các phương pháp làm ngọt khí: + Làm ngọt khí bằng phương pháp hấp phụ + Làm ngọt khí bằng phương pháp hấp thụ + Chuyển trực tiếp H2S thành lưu huỳnh đơn chất.
Khi làm ngọt khí bằng phương pháp hấp thụ ta có thể dùng một trong các phương pháp như:
Khi lựa chọn chất hấp thụ phải đảm bảo các yêu cầu sau: + Có tính hấp thụ chọn lọc (đây là tính chất quan trọng nhất). + Độ nhớt cuả chất hấp thụ phải nhỏ. + Nhiệt dung riêng bé. Tiêu tốn cho quá trình tái sinh ít. + Nhiệt độ sôi khác xa nhiệt độ sôi của các cấu tử bị hấp thụ nhằm thuận tiện cho quá trình tái sinh dung môi nhờ phương pháp chưng cất. + Nhiệt độ đóng rắn thấp (tránh tình trạng đóng rắn ở điều kiện làm việc). + Không tạo kết tủa khi hấp thụ. + ít bay hơi, mất mát trong quá trình tuần hoàn chất hấp thụ. + Không độc, không gây ô nhiễm môi trường, không ăn mòn thiết bị và dễ kiếm.
Hấp thụ hoá học chính là dùng các hợp chất có tính bazơ phản ứng với H2S, CO2 và các hợp chất của lưu huỳnh. Do đó các chất bazơ phải là bazơ yếu, tan trong nước, có độ nhớt lớn do đó người ta thường dùng chất hấp thụ hoá học ở dạng dung dịch nước. Các chất dùng làm dung môi hoá học: Để thoả mãn các yêu cầu trên người ta thường chọn alkylamin hoặc alkanolamin. Các amin dùng để hấp phụ khí axit: Monoetanolamin (MEA): H2N - CH2 - CH2 - OH Dietanolamin (DEA): HN(CH2CH2OH)2 Trietanolamin (TEA): N(CH2CH2OH)3
Metyldietanolamin (MDEA): H3C - N - (CH2CH2OH)2 Diglycolamin (DGA): H2N - (CH2)2 - O - (CH2)2 - OH Các tính chất hoá lý cơ bản của dung môi alkanolamin được trình bày ở dưới đây:
+ Ưu điểm: loại được triệt để H2S, CO2 ra khỏi khí và đảm bảo áp suất riêng phần của khí phải nằm trong khoảng rộng. MEA có tính ổn định hoá học cao, dễ tái sinh, có khả năng phản ứng. Công nghệ và thiết bị đơn giản có độ bền cao; dung dịch MEA tương đối khó hấp thụ hydrocacbon nên có khả năng làm tăng hiệu quả sản xuất lưu huỳnh. MEA là chất có tính bazơ mạnh nhất, nhiệt toả ra trong phản ứng hấp thụ cao nhất nên MEA cho phép loại khí axit triệt để nhất trong số các amin nên trên. Nhờ có khả năng hấp thụ tốt, phân tử lượng bé mà người ta dùng MEA có nồng độ không cao so với việc dùng các chất khác. + Nhược điểm: mức độ bão hoà của dung dịch thấp, lưu lượng riêng chất hấp thụ và chi phí vận hành cao; một vài tạp chất (CO2, COS, CS2, HCN, SO2 và SO3) chứa trong khí nguyên liệu, khi tương tác với dung môi tạo thành các hợp chất khó hoặc không tái sinh được, làm mất hoạt tính của chất hấp phụ, tăng tính tạo bọt và tính ăn mòn của dung môi; khi có COS, CS2 thì không nên dùng chất hấp thụ là MEA; mức thu hồi mercaptan và các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh thấp; tăng khả năng tạo bọt khi có hydrocacbon lỏng, sulfua sắt, thiosulfit và các sản phẩm phân huỷ MEA, cũng như các tạp chất cơ học và một số dạng chất ức chế ăn mòn rơi vào hệ thống.
+ Ưu điểm: bảo đảm làm sạch triệt để khí khỏi H2S, CO2 khi có mặt COS và CS2 (vì DEA phản ứng với COS, CS2 tạo ra sản phẩm sẽ bị phân huỷ trong quá trình tái sinh chất hấp thụ); dung dịch DEA bền về mặt hoá học và dễ thu hồi; có áp suất hơi bão hoà thấp; công nghệ và thiết bị đơn giản; việc hấp thụ diễn ra ở nhiệt độ cao hơn so với khi dùng MEA nên tránh được sự tạo bọt mãnh liệt của dung dịch khi làm sạch khí có nồng độ các hydrocacbon nặng cao (hoặc hydrocacbon lỏng trong khí). + Nhược điểm: DEA có khả năng hấp thụ thấp, lưu lượng riêng của chất hấp thụ cao và chi phí vận hành lớn; một số tạp chất chứa trong nguyên liệu: một phần CO2 hoặc toàn bộ HCN tương tác với DEA tạo thành một hợp chất không tái sinh được; khả năng hấp thụ các mercaptan và các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh khác thấp.
+ Ưu điểm: loại được triệt để H2S, CO2 khi có COS và RSH trong khí (vì lượng COS, RSH phản ứng với DIPA tạo thành hợp chất dễ tái sinh); chi phí hơi cho tái sinh DIPA thấp hơn hơn khi dùng MEA; hyđrocacbon hoà tan trong DIPA không nhiều. + Nhược điểm: thiết bị hấp thụ dùng IPA là thép cacbon nên chi phí đầu tư cao.
+ Ưu điểm: loại được triệt để H2S ra khỏi khí (đến 5,7 mg/m3). Tương tác của DGA với CO2, COS, CS2 và các mercaptan nhẹ vẫn cao. Độ bão hoà của dung dịch cao hơn so với MEA. So với MEA và DEA thì DGA có khả năng hấp thụ cao hơn, thất thoát dung môi (do tái sinh, do lôi cuốn) thấp hơn. + Nhược điểm: khi tái sinh DGA phải thực hiện ở áp suất chân không do đó tháp hấp thụ phải làm việc ở nhiệt độ. Vì thế khi chọn kim loại làm tháp phải đảm bảo ở nhiệt độ làm việc và nhiệt độ giải hấp nên chi phí làm tháp rất tốn kém và không đảm bảo độ bền.
B T. Thấp azơ amin phản ứng với khí axit tạo ra muối hữu cơ không bền dễ phân huỷ khi đun nóng, 
T. Cao H2N - C2H4OH + H2S HS - NH3 - C2H4OH Các phản ứng trên đều phát nhiệt, ở khoảng 1200C muối tạo thành đã bị phân huỷ nhiều. Việc tái sinh amin được thực hiện bằng cách đun nóng vì phản ứng phân huỷ muối kể trên xảy ra đủ nhiều ở nhiệt độ khoảng 1200C khi dùng MEA, còn nếu dùng chất khác thì nhiệt độ phân huỷ sẽ khác. Nếu amin có tính bazơ càng mạnh thì nhiệt lượng cung cấp để tái sinh càng lớn vì phản ứng phân huỷ thu nhiệt càng nhiều.
+ Ưu điểm: các quá trình amin bảo đảm làm sạch triệt để khí khỏi H2S, CO2 với áp suất và nồng độ làm việc của chúng trong khí ban đầu khác nhau. Thiết bị và công nghệ của quá trình đơn giản , bền. + Nhược điểm: không tách được toàn bộ H2S, CO2, RSH, COS và CS2; mức độ tách mercaptan và các hợp chất lưu huỳnh khác thấp ; khi các chất trên tác dụng với chất hấp thụ sẽ tạo các hợp bền, khó bị phân huỷ khi tái sinh chất hấp thụ trong điều kiện làm việc của quá trình.
Hình 3.4 trình bày sơ đồ công nghệ loại khí axit bằng amin. 
Hấp thụ vật lý tức là dùng những dung môi không tác dụng với H2S, CO2 và các hợp chất của lưu huỳnh nhưng lại có khả năng giữ chúng trên bề mặt chất hấp thụ.
+ Propylen cacbonat + Dimetyl ete polyetylenglycol (DMEPEG) + N - Metyl pirrolidon ...
Các chất hấp thụ trên có nhiệt hoà tan thấp và được đặc trưng bởi khả năng hấp thụ cao khí H2S, CO2 và các hợp chất của lưu huỳnh, khả năng này phụ thuộc vào áp suất riêng phần của chúng trong điều kiện hấp phụ. Khi áp suất riêng phần thấp các dung môi vật lý có khả năng hấp thụ thấp nhất. Quá trình hấp thụ vật lý sẽ thuận lợi hơn khi tiến hành hấp thụ ở nhiệt độ thấp.
+ Ưu điểm: Khi áp suất riêng phần của khí H2S, CO2 và các hợp chất của lưu huỳnh cao thì chi phí đầu tư và vận hành của công nghệ làm ngọt khí bằng dung môi vật lý thấp hơn so với dung môi hoá học. Do dung môi vật lý dùng lực hút vật lý để hấp thụ nên rất dễ tái sinh. + Nhược điểm: Các dung môi vật lý này hấp thụ tương đối tốt hydrocacbon.
Hấp thụ hoá - lý tức là dùng dung môi hoá học và dung môi vật lý để làm ngọt khí. Khi sử dụng phương pháp làm ngọt khí bằng dung môi tổ hợp sẽ tận dụng được những ưu điểm của phương pháp hấp thụ vật lý và hấp thụ hoá học. + Ưu điểm: Các dung môi này sẽ có những ưu điểm của hấp thụ vật lý và hấp thụ hoá học nên có thể làm sạch triệt để H2S, CO2 và các hợp chất của lưu huỳnh trong khí chua. + Nhược điểm: Vì sử dụng tổ hợp hai dung môi nên công nghệ rất phức tạp.
Làm ngọt khí bằng phương pháp hấp phụ cũng giống như làm khô khí bằng phương pháp hấp thụ như khác ở chỗ khí H2S, CO2 và các hợp chất của lưu huỳnh sẽ tác dụng với chất hấp phụ. Người ta thường sử dụng một số chất hấp phụ như: bọt sắt, kẽm oxit và zeolit. Khi sử dụng công nghệ làm ngọt khí bằng phương pháp hấp phụ sẽ làm sạch được khí rất triệt để. Nhưng chi phí đầu tư ban đầu cao.
Sau khi tách các tạp chất cơ học, tách ẩm và làm ngọt, khí được đưa đi tách phân đoạn các phương pháp sau:
Giản đồ trạng thái P-T của hệ một chất có dạng tổng quát ở hình 3.5 (vẽ không theo tỷ lệ chính xác). Đường OB biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ nóng chảy vào áp suất. Nhiệt độ thăng hoa của pha rắn phụ thuộc vào theo đường OA. Đường OC cho biết sự phụ thuộc áp suất của nhiệt độ sôi. Ba đường đó gặp nhau tại O. Chúng chia giản đồ pha thành 3 vùng: vùng rắn R ở nhiệt độ thấp áp suất cao; vùng hơi H có nhiệt độ cao, áp suất thấp và vùng lỏng L có áp suất cao và nhiệt độ trung bình. Điểm C được gọi là điểm tới hạn. Dựa vào giản đồ trạng thái ta thấy nếu muốn chuyển khí sang thể lỏng thì có thể chuyển theo ba cách sau:
Muốn nén một khối khí thì nhiệt độ của khối khí phải nhỏ hơn nhiệt độ tới hạn.
G  iản đồ trạng thái hệ nhiều chất được biểu diễn trên hình 3.6.
Trong đó: CA: Đường điểm bong bóng (đường bắt đầu sôi). CB: Đường điểm sương (đường bắt đầu ngưng tụ). C: Điểm tới hạn. M: Điểm áp suất ngưng tới hạn. N: Điểm nhiệt độ ngưng tới hạn. CMNC: Vùng ngưng tụ ngược. Đường E1E4 biểu diễn quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt của một khối khí bất kỳ. Tại điểm E1 chất lưu tồn tại ở pha hơi sẽ được giảm áp đến E2. tại E2 hệ khí bắt đầu quá trình ngưng tụ. Tiếp tục giảm áp suất, lượng lỏng hình thành nhiều hơn. Trong vùng ngưng tụ ngược, sự ngưng tụ lỏng xảy ra khi giảm áp suất hoặc tăng nhiệt độ (ngược với sự ngưng tụ thông thường). Từ điểm E3 đến điểm E4 áp suất giảm dần đồng thời lượng lỏng cũng giảm và lượng hơi tăng đến đểm sương E4. Phía dưới điểm E4 không còn trạng thái lỏng, chỉ còn trạng thái hơi. Quá trình làm lạnh đẳng áp theo đường D1D4 cũng xẩy ra hiện tượng ngưng tụ ngược như quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt theo đường E1E4. Khi giãn nở đẳng nhiệt hay làm lạnh đẳng áp thì hiệu suất của các quá trình đó không cao. Do đó khi giãn nở đẳng nhiệt hay làm lạnh đẳng áp phải tránh vùng ngưng tụ ngược.
Mức độ ngưng tụ các hydrocacbon sẽ tăng khi áp suất tăng ở nhiệt độ không đổi hoặc khi giảm nhiệt độ ở áp suất không đổi. Tuy nhiên, quá trình ngưng tụ của hai trường hợp trên sẽ xảy ra khác nhau. Khi tăng áp suất và giữ nhiệt độ không đổi mức độ ngưng tụ sẽ tăng lên, nhưng sự phân tách các cấu tử hydrocacbon sẽ kém đi: trong pha lỏng cùng với các cấu tử nặng sẽ có một lượng đáng kể các cấu tử nhẹ hoà tan. Ngược lại, khi giảm nhiệt độ và giữ nguyên áp suất mức độ ngưng tụ càng nhiều, độ hoà tan của các cấu tử nhẹ vào trong nặng ít hơn nên hệ số tách cao. Do đó người ta thường sử dụng phương pháp ngưng tụ nhiều hơn. Khi nén khí cần áp suất cao nên phải tìm vật liệu có độ bền tương đối khi thay đổi áp suất. Trên thực tế, người ta tìm vật liệu chịu nhiệt lạnh dễ hơn tìm vật liệu chịu áp. Nhiệt độ và áp suất là hai yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số tách. Từ những nghiêm cứu trước đây, người ta thấy tuỳ thuộc vào nguồn khí và yêu cầu của sản phẩm mà ta chọn sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp hợp lý.
Công nghệ tách phân đoạn khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp có thể được phân loại như sau:
|
ách phân đoạn khí bằng phương pháp ngưng tụ