Tách phân đoạn khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp

Chu trình làm lạnh ngoài không phụ thuộc vào sơ đồ công nghệ và có tác nhân lạnh riêng. Dựa vào loại tách nhân lạnh, chu trình làm lạnh ngoài có thể chia thành hai nhóm: một loại tách nhân làm lạnh một cấu tử và một loại tác nhân làm lạnh nhiều cấu tử (thường là hỗn hợp hydrocacbon nhẹ). Chu trình làm lạnh ngoài sử dụng hai hoặc nhiều tác nhân lạnh một cấu tử được gọi là chu trình làm lạnh nhiều bậc.

• 
  Sơ đồ ngưng tụ 1 bậc tách C₃⁺ với tác nhân làm lạnh propan lỏng.
  

Sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp bậc 1 có những ưu và nhược điểm sau.

+ Ưu điểm: Chi phí cho việc làm lạnh tại thiết bị bốc hơi propan 9 thấp

+ Nhược điểm: Độ lựa chọn của quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp 1 bậc không cao. Chi phí năng lượng cho quá trình khử etan cao.

Trong quá trình làm lạnh 1 bậc do làm lạnh đột ngột nên máy móc dễ hỏng và khả năng làm việc kém an toàn

• 
  Sơ đồ ngưng tụ 1 bậc tách C₃⁺ bằng tách nhân làm lạnh hỗn hợp (C₁, C₂, C₃, C₄... lỏng).
  

• 
  Sơ đồ ngưng tụ nhiều bậc tách C₃⁺ với chu trình làm lạnh ngoài.
  

Sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp nhiều bậc với chu trình làm lạnh ngoài so với sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp 1 bậc có ưu và nhược điểm sau:

+ Ưu điểm: - Lượng C₁, C₂ bị lôi cuốn trong pha lỏng giảm

- Lượng C₃⁺ bị lôi cuốn trong khí khô giảm một cách đáng kể.

- Chi phí làm lạnh cho toàn bộ quá trình giảm.

- Thời gian hoàn vốn nhanh hơn và vận hành dễ hơn so với làm lạnh 1 bậc. Ngoài ra, khả năng làm việc của máy móc trong quá trình làm lạnh nhiều bậc an toàn hơn so với làm lạnh 1 bậc.

+ Nhược điểm:- Chi phí xây dựng ban đầu cao.

Dựa vào những ưu điểm trên, người ta hay sử dụng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp nhiều bậc hơn là ngưng tụ 1 bậc.

• 
  Nguyên lý:
  

+ Tua bin giãn nở khí hay còn gọi là Turbo Expander.

+ Van giãn nở

Van giãn nở làm việc dựa vào quá trình đẳng entanpy. Công sinh ra trong quá trình được chuyển thành nhiệt. Theo Joule Thomson khi giảm áp sẽ dẫn đến nhiệt độ của dòng khí cũng giảm theo. Khi nhiệt độ giảm đến giá trị thích hợp nào đó thì khí bắt đầu ngưng tụ và được đem đi chế biến tiếp.

Turbo Expander là máy giãn nở khí hoạt động dựa vào quá trình giãn nở đẳng entropy. Turbo Expander gồm hai phần: bộ phận giãn và bộ phận nén được nối đồng trục với nhau. Khí vào bộ phận giãn sẽ giảm áp suất kéo theo việc giảm nhiệt độ. Sự thay đổi nhiệt độ của dòng khí sẽ sinh ra công. Theo nguyên lý II của nhiệt động học thì công có thể biến hoàn toàn thành nhiệt nhưng nhiệt không thể biến hoàn toàn thành công nên công sinh ra do việc giảm nhiệt độ ở trên chỉ thu được một phần. Phần công này sẽ được tận dụng để truyền cho bộ phận nén.

• 
  Một số sơ đồ công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp với chu trình làm lạnh trong.
  

Nếu sử dụng công nghệ này thì sẽ thu được 99,5% lượng propan và chi phí sản xuất thấp hơn 20% so với quá trình chế biến thông thường.

Công nghệ tách phân đoạn khí bằng hiệu ứng giãn nở làm lạnh khí có những ưu và nhược điểm sau:

+ Ưu điểm: Có khả năng tự động hoàn toàn, có thể xây dựng sơ đồ chế biến khí thích hợp cho những mỏ khí khác nhau, điều đó đảm bảo khả năng xây dựng nhanh chóng hệ thống thiết bị do việc giảm nhẹ khối lượng công việc xây lắp trực tiếp hệ thống thiết bị.

+ Nhược điểm: Thiết bị Turbo Expander rất đắt nên chi phí xây dựng ban đầu thường cao.

* Công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp với chu trình làm lạnh tổ hợp (kết hợp giữa làm lạnh trong và làm lạnh ngoài).

Hình 3.10 là sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp với chu trình làm lạnh tổ hợp.

Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp với chu trình làm lạnh tổ hợp:

+ Ưu điểm: Tận dụng được các ưu điểm của phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp với chu trình làm lạnh trong và ngoài đã trình bày trên.

+ Nhược điểm: Vì sử dụng cả hai phương pháp nên sơ đồ công nghệ khá phức tạp, đòi hỏi chi phí xây dựng cao và khó vận hành.

Dựa vào những phân tích trên cho thấy, ngưng tụ nhiệt độ thấp sử dụng chu trình làm lạnh trong (có tuabin giãn nở khí) cho hiệu quả cao.

2. 
   Tách phân đoạn khí bằng phương pháp hấp thụ nhiệt độ thấp
   

Quá trình hấp thụ vật lý được sử dụng trong công nghệ xử lý khí để loại hơi nước, CO₂ và H₂S đã được trình bày ở phần làm ngọt khí và làm khô khí. Hấp thụ và giải hấp là hai quá trình truyền khối cơ bản được sử dụng để tách khí đồng hành và khí tự nhiên.

• 
  Cơ chế của quá trình hấp thụ:
  

Trong các nhà máy chế biến khí quá trình hấp thụ và giải hấp được tiến hành trong các thiết bị hấp thụ và chưng cất loại mâm hoặc đệm. Thông thường hai thiết bị trên được kết hợp với nhau thành chu trình kín: dung môi sau khi hấp thụ khí (tại tháp hấp thụ) sẽ đi qua tháp chưng cất. Tại đây sẽ xảy ra quá trình giải hấp, phần khí thu được ở đỉnh tháp được đem đi chế biến hay sử dụng, phần dung môi tái sinh thu hồi ở đáy tháp được đưa ngược lại tháp hấp thụ để hấp thụ khí (trong các nhà máy chế biến khí dung môi hấp thụ thường được sử dụng là các phân đoạn xăng, kerosen hoặc hỗn hợp của chúng.

Mức độ thu hồi C₃⁺ của quá trình chế biến khí bằng phương pháp hấp thụ chỉ đạt 40-50%. Người ta cho rằng phương pháp hấp thụ chỉ có hiệu quả đối với nguồn nguyên liệu khí có hàm lượng C₃⁺ lớn hơn 350 g/m³.

Sơ đồ công nghệ này có thể đạt hiệu quả cao đối với nguồn nguyên liệu có áp suất lớn. Tháp hấp thụ hoạt động ở áp suất cao để giảm tối thiểu việc nén khí và duy trì tình trạng hoạt động của tháp tách etan và tháp này sẽ hoạt động ở áp suất thấp hơn.

3. 
   Tách phân đoạn khí bằng phương pháp chưng cất nhiệt độ thấp
   

• 
  Phân loại: Phụ thuộc vào sơ đồ nguyên lý của tháp chưng cất nhiệt độ thấp, thiết bị cơ bản của sơ đồ là các tháp chưng được chia thành tháp chưng cất bay hơi và tháp ngưng tụ bay hơi.
  
• 
  Cơ chế hoạt động:
  

+ Tháp ngưng tụ bay hơi (hình 3.13.b) khác tháp chưng cất bay hơi ở chỗ hỗn hợp khí nguyên liệu được trộn với sản phẩm đỉnh tháp, sau khi làm lạnh nhờ chu trình làm lạnh ngoài bằng propan được đưa vào đĩa trên cùng tháp. Trong sơ này sản phẩm đỉnh tháp được trộn lẫn với dòng khí nguyên liệu qua chu trình làm lạnh ngoài 3 ở nhiệt độ cần thiết và đi vào thiết bị tách phân ly 4, dòng khí ra khỏi 4 được đưa đến đường ống dẫn khí thương phẩm, còn phần lỏng vào đĩa trên cùng của tháp 2. Phần lỏng C₃⁺ ra khỏi tháp 2 được đem đi chế biến tiếp.

Tháp chưng cất thường làm việc ở áp suất từ 2,5 - 3 MPa, nhiệt độ đỉnh tháp là -20⁰C và nhiệt độ đáy thường vào khoảng 90 - 120⁰C. Với điều kiện nhiệt độ và áp suất như trên hiệu suất tách C₃⁺ đạt được là 92 - 93%, C₄⁺ đạt được là 100%.

* Một số sơ đồ công nghệ chế biến khí bằng phương pháp chưng cất nhiệt độ thấp

Hình 3.14 là sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp có hai đừng nhập liệu

Sơ đồ công nghệ của phương pháp này đạt hiệu quả cao đối với khí rất bé có hàm lượng C₃⁺ lớn hơn 600 g/m³.

2. 
   Kết luận
   

1. 
   Mục đích chế biến khí tự nhiên Nam Côn Sơn
   

Mặt khác, nhà máy Nam Côn Sơn mới dừng lại ở việc thu hồi khí và condensate. Với sản lượng cho trong bảng 4.1 thì hàng năm nhà máy Nam Côn Sơn đã lãng phí một lượng khí hoá lỏng lớn.

Để giải quyết việc nhập khẩu LPG và tránh tình trạng lãng phí khí hoá lỏng ở nhà máy Nam Côn Sơn thì việc chế biến khí Nam Côn Sơn thành những sản phẩm có giá trị là việc làm cần thiết. Trong khuân khổ để tài này sẽ phân tích để đưa ra sơ đồ tối ưu nhằm thu hồi tối đa lượng C₃⁺.

4.2 Yêu cầu về sản phẩm.

Sản phẩm của nhà máy Nam Côn Sơn bao gồm:

• 
  Khí khô.
  
• 
  Khí hoá lỏng (LPG).
  
• 
  Condensate.
  

Khí từ mỏ Nam Côn Sơn khai thác lên ở giai đoạn II thường tồn tại ở dạng hai pha lỏng - khí với thành phần được cho trong bảng 4.2

• 
  Áp suất: 110 bar
  
• 
  Nhiệt độ: 27 ⁰C
  
• 
  Lưu lượng pha lỏng: 72 m³ /ngày.
  
• 
  Lưu lượng pha khí: 20 triệu m³ /ngày.
  

Với thành phần, nhiệt độ và áp suất như trên, khí vào bờ sẽ tồn tại ở dạng hai pha. Hàm lượng hydrocacbon nặng chiếm tỷ lệ nhỏ nên đây là khí nhẹ. Thành phần của CO₂ là 0,045 %mol nhưng vần nằm trong giới hạn cho phép, thành phần H₂S không có nên đây là khí ngọt.

3. 
   Lựa chọn sơ đồ công nghệ chế biến khí ở mỏ Nam Côn Sơn
   

1. 
   Lựa chọn thiết bị tách lỏng - khí
   

• 
  Khí khai thác ra khỏi mỏ được vận chuyển vào bờ qua đường ống dẫn khí. Trong quá trình vận chuyển, qua một số địa hình không bằng phẳng áp suất thay đổi, nhiệt độ thay đổi dẫn đến vận tốc dòng chảy thay đổi theo. Vận tốc dòng khí nhỏ, hệ số Re sẽ nhỏ và dẫn đến hiện tượng chảy tầng làm chất lỏng đọng lại gây tắc nghẽn đường ống dấn khí và làm áp suất dòng khí thay đổi. Hiện tượng này gọi là hiện tượng Slug. Khi lưu lượng dòng khí tăng hệ số Re cũng tăng, dòng chảy ở chế độ chảy rối sẽ cuốn theo lỏng làm tăng tỉ số lỏng. Khi vào nhà máy sẽ gây ảnh hưởng trực tiếp đến các thiết bị phía sau. Để tránh trường hợp này ta phải tách lỏng và khí ra khỏi nhau trước khi đi vào chế biến ở những giai đoạn sau.
  
• 
  Mặt khác, do lưu lượng tăng đột ngột như thế nên nguyên liệu khí đầu vào sẽ có lượng lỏng khá lớn, điều này đòi hỏi bình tách phải có không gian đủ lớn để thời gian lưu của khí nguyên liệu vừa đủ để tách triệt lỏng và khí ra khỏi nhau mà không gây ảnh hưởng đến đến thiết bị và các giai đoạn chế biên phía sau.
  

2. 
   Lựa chọn thiết bị loại các tạp chất cơ học trong khí
   

• 
  Trong quá trình khai thác, vận chuyển dòng khí sẽ cuốn theo các hạt bụi từ dưới lòng đất hoặc do các thiết bị máy móc bị bào mòn, bị va đập, hoặc sản phẩm phân huỷ Glycol trong quá trình hấp thụ nước sơ bộ ngoài giàn... gây ra. Vì vậy, trong khí lẫn rất nhiều tạp chất cần phải loại bỏ.
  
• 
  Việc loại bỏ các tạp chất cơ học sẽ đảm bảo cho thiết bị chế biến phía sau và phù hợp với yêu cầu sản phẩm đầu ra. Để thoả mãn hai điều kiện trên và kết hợp với những phân tích nêu trong phần 3.1.2 thì thiết bị lọc dạng filter lọc sẽ phù hợp với nguồn khí này. Thiết bị dạng filter lọc sẽ lọc được hạt bụi có kích thước lớn hơn 1 và khả năng lọc rất cao. Do đó, ta chọn filter để loại các tạp chất cơ học trong dòng khí.
  

3. 
   Lựa chọn phương pháp làm khô khí
   

• 
  Hàm lượng C₃⁺ trong khí rất thấp, do đó muốn thu hồi C₃⁺ triệt để thì trong quá trình chế biến khí phải làm lạnh sâu. Việc làm lạnh sâu dòng khí đồng nghĩa với việc hình thành hydrat trong khí (do sự có mặt của nước trong khí) gây cản trở quá trình vận chuyển và chế biến phía sau. Do đó bắt buộc phải loại nước.
  
• 
  Khi loại nước thì chú ý những điểm sau:
  

+ Cụ thể như sau: Dựa vào kết quả mô phỏng sơ đồ công nghệ 4.3 sau khi đã tối ưu thì: nhiệt độ và áp suất qua thiết bị trao đổi nhiệt E-03 là -11,5⁰C; nhiệt độ và áp suất qua CC-01 EXP là -56⁰C. Khi đó, điểm sương của khi sau thiết bị loại nước V-06 phải nhỏ hơn nhiệt độ qua CC-01 EXP là -56⁰C. Khi đó điểm sương của khí sau V-06 là -66⁰C tại áp suất 109 bar.

4. 
   Lựa chọn phương pháp tách phân đoạn
   

5. 
   Cụm thiết bị tách sản phẩm