Cơ sở tính toán giản đồ pha

CHƯƠNG II: CƠ Sở Lý THUYếT II.1 Cơ sở tính toán 1.1 Giản đồ pha 1.1.1 Giản đồ pha của đơn chất [4,11] Hỡnh II.1.1.1: Giản đồ pha của đơn chất Đối với đơn chất bao giờ cũng tồn tại điểm tới hạn (C: critical point) tại đó tương ứng ta có áp suất tới hạn Pc và nhiệt độ tới hạn Tc. Tại điểm này các tính chất của lỏng và hơi trở nên đồng nhất. Khi đi từ A xuống B (đẳng nhiệt, giảm áp) đơn chất chuyển từ lỏng sang khí. Khi đi từ E qua D (đẳng áp, giảm nhiệt ) đơn chất chuyển pha từ khí sang lỏng. Khi đi từ D qua E (đẳng áp, tăng nhiệt ) thì đơn chất chuyển pha từ lỏng sang khí. Đường HD, HC, 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 cân bằng với nhau. Tại đường cân bằng ở nhiệt độ và áp suất không đổi hệ có thể chuyển pha bằng cách thêm vào hoặc lấy bớt năng lượng của hệ. Dọc theo đường FH không tồn tại pha lỏng, và pha rắn thăng hoa thành hơi. HD là đường cân bằng rắn lỏng. Tại bất kỳ giá trị P, T dọc theo đường này trạng thái của hệ có thể hoàn toàn lỏng, hay hoàn toàn rắn, hoặc hỗn hợp rắn lỏng tuỳ theo mức năng lượng mà hệ có. Đường HC là đường bão hoà hay cân bằng lỏng hơi, tại các giá trị áp suất và nhiệt độ trên đường HC hệ có thể tồn tại hoàn toàn ở trạng thái lỏng bão hoà hay hơi bão hoà, hoặc hỗn hợp lỏng hơi tuy thuộc vào mức năng lượng mà hệ có. Khi nhiệt độ và áp suất lân cận quanh điểm C (hình vuông “bfghd”) khi ấy đơn chất trong vùng “dense phase” đó là vùng trạng thái một pha, vật chất trong vùng này có các tính chất vật lý (thể tích riêng, khối lượng riêng, entanphy, độ nhớt...) là trung gian giữa chất khí và lỏng. Như vậy trong vùng này ta không thể thay đổi các thông số công nghệ để đưa chất đó về trạng thái hai pha được, điều đó có nghĩa là quá trình hoá lỏng một phần hay toàn 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. Khi đi từ A xuống B (đẳng nhiệt, giảm áp) đơn chất chuyển từ lỏng sang khí, khi đi từ E qua D (đẳng áp, giảm nhiệt ) thì đơn chất chuyển pha từ khí sang lỏng. Nhìn vào giản đồ pha thì ở áp suất không đổi quá trình chuyển pha của khí 1 cấu tử xảy ra ở nhiệt độ không đổi. 1.1.2 Giản đồ pha của hỗn hợp khí nhiều cấu tử [4] Hình II.1.1.2: Giản đồ pha của hỗn hợp khí. Trong hỗn hợp hay dung dịch khí nhiều cấu tử , vùng tới hạn thường là một khoảng rộng các thông số và phụ thuộc vào thành phần khí. Xét trạng thái hệ nhiều cấu tử trong giản đồ pha P,T Hình II.1.1.2 ta có các nhận xét sau: Điểm tới hạn C , tại đó hai pha trở thành một pha. - Điểm N (cricondenbar) điểm tương ứng với áp suất lớn nhất mà ở đó hỗn hợp có thể ở trạng thái hai pha. - Điểm M (cricondentherm) điểm tương ứng với nhiệt độ lớn nhất mà tại đó hỗn hợp có thể tồn tại ở trạng thái hai pha. - Những giá trị cực đại của áp suất và nhiệt độ mà tại đó hỗn hợp nhiều cấu tử có thể tồn tại ở trạng tháI hai pha được gọi là nhiệt độ và áp suất ngưng tụ tới hạn của hỗn hợp. - Vị trí tương hỗ của các điểm C, M, N trên giản đồ pha phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp. - Trên giản đồ pha phần đường bên trái cho tới C là đường điểm sôi (bubble) còn phần đường bên phải là đường điểm sương. - Tương tự như cấu tử đơn khi nhiệt độ và áp suất lân cận điểm C điểm tới hạn khi ấy hệ trong vùng “dense phase” là trung gian giữa khí và lỏng (tỉ trọng lớn hơn khí, độ chịu nén cao hơn lỏng ...). - Trong các quá trình thuận tức khi nén (áp tăng), hoặc khi giảm nhiệt độ thì lượng chất lỏng ngưng tụ tăng lên. - Còn ngược lại khi nén lên hay khi giảm nhiệt mà lượng chất lỏng ngưng tụ giảm đi thì đó là quá trình (ngưng tụ, bay hơi) ngược (vùng gạch sọc). 1.2 Cân bằng pha lỏng – khí [1,4] Đại lượng đặc trưng cho sự phân bố các cấu tử giữa các pha trong điều kiện cân bằng được gọi là hằng số cân bằng pha. Nó được xác định bằng phương trình: Ki=yi/xi yi là phần mole của cấu tử trong pha hơi. xi là phần mole của cấu tử trong pha lỏng. Ki phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, và áp suất hội tụ (áp suất mà ở đó các hằng số cân bằng của tất cả mọi thành phần đều bằng 1) của hệ. áp suất hội tụ được xác định theo thành phần của pha lỏng cân bằng (mà thành phần pha lỏng này cũng là ẩn số) do đó thường thì ta chọn một áp suất hội tụ cho hệ lỏng sau đó tra các Ki, tính toán ra thành phần lỏng khí, sau đó từ thành phần lỏng cân bằng ta lại tính ra áp suất hội tụ nếu áp suất hội tụ chọn và tính toán giống nhau thì đó là kết quả đúng. Trong thực tế trong các hệ dầu khí có áp suất dưới 50 bar thì các hằng số cân bằng Ki không phụ thuộc nhiều vào áp suất hội tụ khi đó quá trình tính toán được đơn giản hoá đi rất nhiều. Để tính áp suất hội tụ theo các bước như sau : Chuyển pha lỏng cân bằng thành hệ bậc hai giả trong đó cấu tử thứ nhất là cấu tử nhẹ, có lượng không ít hơn 0,1% moles, cấu tử thứ hai là gồm các cấu tử còn lại (cấu tử giả nặng). Tính nhiệt độ tới hạn trung bình khối và áp suất tới hạn trung bình khối đối với cấu tử giả nặng theo phương trình: Ttbk=ồxiMWiTci / ồxiMWi Ptbk=ồxiMWiPci / ồxiMWi Ptbk: áp suất tới hạn trung bình khối Ttbk: Nhiệt độ tới hạn trung bình khối Pci: áp suất tới hạn cấu tử i Tci:Nhiệt độ tới hạn cấu tử i MWi:Khối lượng phân tử cấu tử i xi : Phần mole cấu tử i Sau đó đánh dấu trên hình II.1.2.1 vị trí cấu tử giả nặng có tung độ và hoành độ là Ptbk, Ttbk , bằng con đường nội suy giữa các đường cong tới hạn bậc 2 có trên đồ thị chúng ta vẽ đường cong tới hạn cấu tử nhẹ-cấu tử giả nặng. Từ đường cong vẽ được và áp suất ban đầu của hệ điểm gióng từ nhiệt độ qua đường cong chính là áp suất hội tụ. Sau đó so sánh áp suất hội tụ chọn và tính toán nếu sai khác khoảng dưới 12% là chấp nhận được. Hình II.1.2.1: Đồ thị kiểm tra áp suất hội tụ Sau đó Ki có thể tra từ các đồ thị được tạo ra và đã được so sánh với chương trình máy tính cho kết quả tốt. Ví dụ như đồ thị tra K của Ethane ở Hình II.1.2.2 Hình II.1.2.2: Đồ thị tra hệ số cân bằng K của C2H6 (áp suất hội tụ 1500 psi) - ứng dụng hệ số cân bằng trong tính toán dòng khí qua bình tách như sau: zi là phần mole của cấu tử trong dòng khí vào bình tách. yi là phần mole của cấu tử trong pha hơi. xi là phần mole của cấu tử trong pha lỏng. F là tổng số moles khí vào bình. V là tổng số moles khí ra khỏi bình. L là tổng số moles chất lỏng ngưng tụ. Hình II.1.2.3: Mô hình tính toán cân bằng lỏng khí trong bình tách Phương trình cân bằng vật chất F*zi = V*yi + L*xi; F = V + L , Ki = yi/xi thay vào Fzi = V*yi + L*xi, yi = Ki*xi => F*zi = V*ki*xi + L*xi = xi*(L+V*ki) Để đơn giản ta xét F = 1 khi đó xi = zi/ zi ( L+Vki) Chú ý ồxi = 1 như vậy ồzi/( L+Vki) = 1 trong phương trình này zi đã biết, Ki tra theo P, T, ta chỉ cần thay L (từ 0 đến 1) để cho ồzi/( L+Vki) = 1 là được. Dòng khí vào bình tách có thể không có ngưng tụ chất lỏng khi đó L = 0, V=1 khi này bài toán là xác định điều kiện điểm sương P, T. Hay dòng khí ngưng tụ hoàn toàn L = 1, V = 0 khi đó bài toán là xác định điều kiện điểm sôi. Các điều kiện dưới đây cho phép dự đoán trạng thái dòng khí vào bình tách. **Nếu: - ồkizi và ồ(zi/ki) cả hai đều lớn hơn 1 thì dòng vào bình là 2 pha. - ồkizi nhỏ hơn 1 thì dòng vào là toàn lỏng, ồkizi = 1 dòng vào là điểm sôi. - ồ(zi/ki) nhỏ hơn 1 thì dòng vào là toàn khí, ồ(zi/ki) = 1 dòng vào là điểm sương - ồkizi và ồ(zi/ki) sẽ không đồng thời nhỏ hơn 1. 1.3 Nhiệt lượng [4] + Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi nhiệt độ + Khi có sự trao đổi nhiệt lượng giữa hỗn hợp khí và môi trường thì nhiệt độ của hỗn hợp khí thường thay đổi. Nhiệt lượng trao đổi này có thể tính qua công thức: Q = SCi * mi * DTi - Ci là nhiệt dung riêng khối lượng của cấu tư i (có thể là CP hay CV tuỳ trường hợp đẳng áp hay đẳng tích). - mi là lưu lượng khối lượng của dòng i (kg). 1.4 Nhiệt dung riêng [4] Nhiệt dung riêng của một chất là lượng nhiệt cần thiết để nâng một đơn vị khối lượng tăng thêm 1oC. Nhiệt dung riêng của hỗn hợp HC khí được xác định từ phương trình: Cp = ồCopi yi +DCp Cp : Nhiệt dung mole của hỗn hợp khí hydrocacbon ở P,T. Copi : Nhiệt dung mole của cấu tử khí i ở áp suất khí quyển và nhiệt độ T tìm bằng cách tra đồ thị Hình II. 1.4.1 DCp : Đại lượng hiệu chỉnh cho áp suất P tìm bằng cách tra đồ thị Hình II.1.4.2 Khí tự nhiên có tỉ trọng 0,65 đến 0,75 khi có P,T ta có thể tra đồ thị Hình II.1.4.3 để có Cp. Đối với HC lỏng ta có thể tính nhiệt dung riêng theo công thức: Cp = 2,96 - 1,34g + T(0,0062-0,00234g) (kJ/kg.oC); T là nhiệt độ OC hoặc tra đồ thị Hình II. 1.4.4 Hình II.1.4.1: Đồ thị nhiệt dung riêng Cp (kJ/kgoC) của các khí hydrocacbon ở áp suất khí quyển và nhiệt độ T Hình II.1.4.2: Đồ thị tra DCp theo nhiệt độ và áp suất qui đổi Chú ý: J/mole oC = MW.kJ/kg oC Hình II.1.4.3: Đồ thị nhiệt dung riêng của khí thiên nhiên có tỉ trọng 0,65~0,75 Hình II. 1.4.4: Nhiệt dung riêng của các HC lỏng 1:etan, 2: propan, 3: ibutan, 4: nbutan, 5: ipentan, 6: npentan, 8 nhexan. Ví dụ: Tính Cp của khí đầu vào có tỉ trọng 0,75 tại áp suất là 10 bar và nhiệt độ là 50oC. Giải: Ta có P = 10 bar = 1MPa, T = 50oC , tra đồ thị hình II.1.4.3, từ trục nhiệt độ 50oC dóng thẳng lên cắt đường áp suất 0,1 MPa, sau đó dóng sang ngang ta có Cp = 2,105. Tiếp tục chọn điểm thứ hai giữa T = 50oC và P = 3 MPa ta có Cp = 2,40. Nội suy từ hai điểm trên ta được Cp= 2,3 (kJ/kg oC) 1.5 Enthapy [1,4] Trong khi thực hiện các bài toán về nhiệt động học ta thường gặp biểu thức (u + p*v) về sau biểu thức này có tên là enthanpy (h) Enthanpy của khí thực phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, thành phần hỗn hợp. Trong các quá trình khí, lượng biến đổi H mang ý nghĩa năng lượng. Trong các phương pháp giải tích xác định enthanpy người ta sử dụng phương pháp dựa trên cơ sở phương trình trạng thái của Redlich-Kwong-Barxuk áp dụng cho hệ Hydrocacbon từ C1 đến C10 có thể có chứa N2, CO2, H2S. enthanpy được tính theo biểu thức H = {ồyiHơi+RT(Z-1)–R{ồyi[Bi+2Ci(Tc/T - 1)]Tc}ln(1+m/Z)}/MW (kJ/kg) Hơi = 4,187[A1T/100 + A2(T/100)2 + A3(T/100)3 + A4(T/100)4 +A5(T/100)5+A6(T/100)6] (kJ/kmole) Người ta cũng lập sẵn các đồ thị tra enthanpy của hỗn hợp hydrocacbon tuỳ thuộc vào MW, P,T ví dụ như Hình II.1.5.1, II.1.5.2. Hình II.1.5.1: Đồ thị Enthanpy của hydrocacbon lỏng theo MW và T Hình II.1.5.2: Đồ thị Enthanpy của khí theo MW và T với P=13800~20700 kPa 1.6 Entropy [1,4] Entropy là loại thông số trạng thái mà lượng biến đổi của nó trong một quá trình thuận nghịch nào đó có giá trị bằng dS= dQ/T . Trong các phương pháp giải tích xác định entropy người ta sử dụng phương phỏp dựa trên cơ sở phương trình trạng thái của Redlich-Kwong-Barxuk áp dụng cho hệ hydrocacbons C1 đến C10 có thể có chứa N2, CO2, H2S. entropy được tính theo các công thức: Shh = {Sohh + Rrln(1 + m/Z) + Rln[(Z - m)/P]}/MW +2.23 (kJ/kg.K) Sohh = ồyiSoi - Rồ(yi * lnyi) r = ồri = ồyi[4,934 – Bi + Ci - Ci(Tci/T)2] Sôi = 4,187[A1lnT +2A2(T-1)/100 + 1,5A3(T2 - 1)/1002 + 4/3 * A4(T3-1)/1003 +5/4 * A5(T4-1)/1004 + 6/5 * A6(T5-1)/1005]/100 (kJ/kmole) Giá trị các tham số: A1 A2 A3 A4 A5 A6 Bi Ci C1 832.5838 -33.218390 8.34748 0.000000 0.0000000 0.0000000 7.5000 0.35 C2 834.4148 -50.739260 42.38703 -4.475561 0.2133584 -0.0039638 8.2000 0.70 C3 747.6758 54.580940 43.12740 -5.077400 0.2514270 -0.0047700 8.8200 0.50 iC4 918.6402 109.745800 49.68894 -6.266520 0.3147684 -0.0060000 8.8000 1.00 nC4 918.6402 109.745800 49.68894 -6.266520 0.3147684 -0.0060000 8.9000 1.00 iC5 1125.8500 135.701300 59.75617 -7.185797 0.3649476 -0.0070000 9.4000 1.25 nC5 1125.8500 135.701300 59.75617 -7.185797 0.3649476 -0.0070000 9.5000 1.25 nC6 1257.6060 183.095000 69.43283 -8.740665 0.4452560 -0.0086000 10.0000 1.40 nC7 1349.2500 232.769000 73.62374 -9.448433 0.4839200 -0.0093900 10.5000 1.30 nC8 1513.1110 303.029500 76.88945 -9.400066 0.4392000 -0.0111000 11.0000 1.40 nC9 1677.6660 335.148100 92.05947 -12.074470 0.6240000 -0.0122000 11.2000 1.40 nC10 1799.4750 399.898500 95.56796 -12.646240 0.6490000 -0.0125000 11.6000 1.40 CO2 718.3000 32.200000 0.00000 0.000000 0.0000000 0.0000000 9.8000 0.30 H2S 680.6000 20.000000 0.00000 0.000000 0.0000000 0.0000000 8.3000 0.80 N2 7.6600 0.30 Hoặc có thể tra entropy s, enthapy h theo đồ thị hình II.1.6.1 Hình II.1.6.1: Đồ thị entropy s, enthanpy h của khí thiên nhiên theo P, T II.2 Các phương pháp tách Condensate 2.1 Phương pháp ngưng tụ [10,11] Quá trình ngưng tụ khí có thể coi là quá trình làm lạnh đẳng áp(nếu bỏ qua tổn thất áp trong đường ống, thiết bị công nghệ) cho tới nhiệt độ tương ứng với áp suất đó sẽ suất hiện pha lỏng. Khi giảm nhiệt độ của hỗn hợp khí thì sẽ đến lúc một cấu tử nào đó của khí sẽ bắt đầu ngưng tụ, cấu tử ngưng tụ đầu tiên là cấu tử có nhiệt độ ngưng tụ lớn nhất. Khí HC có 1 đặc điểm quan trọng là chúng hòa tan trong HC lỏng, do đó khi ngưng tụ không chỉ có cấu tử có thể ngưng tụ tại giá trị nhiệt độ và áp suất riêng phần đó mà cả các cấu tử khác có nhiệt độ tới hạn thấp hơn cả nhiệt độ của hỗn hợp tại thời điểm đó. Sự hòa tan khí vào chất lỏng hay quá trình ngưng tụ luôn kèm theo sự tỏa nhiệt, lượng nhiệt tỏa ra khi hòa tan cũng xấp xỉ khi ngưng tụ về trị số. Trong quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp (NNT) quá trình làm lạnh khí chỉ diễn ra khi đạt mức độ ngưng tụ định trước của pha hơi. Mức độ ngưng tụ của các HC 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 xảy ra khác nhau. Khi tăng áp suất và giữ nguyên nhiệt độ thì mức độ ngưng tụ sẽ tăng lên, nhưng sự phân tách các HC sẽ kém đi: trong pha lỏng cùng với các cấu tử nặng còn có một lượng đáng kể các cấu tử nhẹ. Khi giảm nhiệt độ ở áp suất không đổi mức độ ngưng tụ tăng lên cung với sự phân tách HC nặng và nhẹ tốt hơn. Sơ đồ công nghệ chế biến khí bằng NNT có thể chia ra theo: số bậc phân li cơ bản, loại nguồn nhiệt lạnh, loại sản phẩm cuối. • Theo số bậc phân li cơ bản, quy trình được chia ra một, hai, ba bậc. Mỗi bậc nhất thiết phải có sản phẩm ra dạng lỏng. • Theo nguồn nhiệt lạnh: chu trình lạnh ngoài, chu trình lạnh trong, chu trình lạnh kết hợp • Theo loại sản phẩm: sơ đồ thu được C2 và các phân đoạn cao, sơ đồ thu được C3 và các phân đoạn cao. Hình II.2.1: Sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp một bậc V-100, 101 . Bộ phận tách khí; K-100. Bộ phận nén khí; AC-100. Thiết bị làm mát bằng không khí; E-100,101. Thiết bị trao đổi nhiệt; P-100,101. Bộ phận bay hơi Propan; T-100. Tháp tách etan; DP-100. Hồi lưu; H-100. Bộ phận đun nóng; I. Khí đưa vào chế biến; II. Khí khô; III. Các HC nặng (> C3). Trên Hình II.2.1 là sơ đồ công nghệ chế biến khí làm việc theo phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp. Sơ đồ có một nguồn lạnh ngoài là chu trình làm lạnh bằng propane và một công đoạn phân tách hỗn hợp hai pha. Theo sơ đồ, khí nguyên liệu được làm sạch khỏi các cặn cơ học, lỏng tại bộ phận tách khí V-100, sau đó qua máy nén, tiếp tục qua thiết bị làm mát bằng không khí rồi thiết bị trao đổi nhiệt do dòng lạnh của khí khô và chất lỏng ngưng tụ từ tháp phân tách V-101. Sau đó qua bộ phận bay hơi propane, một phần khí ngưng tụ và đi váo tháp V-101. Tại đây HC đã ngưng tụ(Condensate) được tách ra từ đáy tháp, khí khô thoát ra từ đỉnh tháp sau khi trao đổi nhiệt được đưa vào ống dẫn chính. Condensate được tách ra sau khi trao đổi nhiệt được đưa vào tháp tách etane T-100. Sản phẩm từ đỉnh tháp bao gồm methane, etane, propane được trộn lẫn với khí khô, sản phẩm từ đáy tháp là các phân đoạn HC nặng (Condensate) dùng để sản suất propane, butane, pentane, hoặc khí đốt. Do hạn chế của việc lắp đặt nhiều thiết bị công nghệ trên giàn nên tại CCP đang áp dụng phương pháp NNT giảm nhiệt độ ở áp suất không đổi để tách Condensate. 2.2 Phương pháp hấp thụ [10,11] Phương pháp hấp thụ tách khí tự nhiên và khí đồng hành dựa trên cơ sở hai quá trình chuyển khối cơ bản: hấp thụ và nhả hấp thụ, bản chất của vật lí của quá trình là sự cân bằng giữa dòng khí và lỏng do sự khuếch tán chất từ pha này sang pha khác. Khi đạt cân bằng bền động học, 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 rieng phần của cấu tử trong pha khí lớn hơn trong pha lỏng thì xảy ra quá trình hấp thụ (hấp thụ khí bởi chất lỏng), nếu áp suất riêng phần của cấu tử bị tách ra ở trong pha khí nhỏ hơn trong pha lỏng thì xảy ra quá trình nhả hấp thụ (thoát khí ra khỏi chất lỏng). Chất hấp thụ thường được sử dụng trong công nghiệp là các phân đoạn benzin, keroxen hoặc hỗn hợp của chúng. Sau đây sẽ giới thiệu phương trình cơ bản để tính toán quá trình hấp thụ hỗn hợp nhiều cấu tử rút ra dựa trên điều kiện cân bằng pha ở từng bậc phân tách. Phương trình cân bằng đối với mâm j bất kì có dạng: Trong đó: Yij - nồng độ cấu tử thứ i trong pha khí khi ra khỏi mâm j, mol/mol khí nguyên liệu Xij - nồng độ cấu tử thứ i trong pha lỏng khi ra khỏi mâm j, mol/mol dung môi nguyên chất Kij - hệ số cân bằng pha của cấu tử thứ i trên mâm j Lo - lưu lượng dung môi nghèo, mol/h Lj - lưu lượng pha lỏng ra khỏi, mol/h Gj,Gn+1 - lưu lượng pha khí ra khỏi mâm j và lưu lượng khí nguyên liệu vào tháp hấp thụ có n mâm, mol/h Sơ đồ công nghệ chế biến khí bằng phương pháp hấp thụ ngoài những công đoạn chính như: phân li, nén, sấy khí còn có công đoạn hấp thụ (hấp thụ của các cấu tử của khí như etane, propane,...), khử metane hay etane của dung môi bão hòa và giải hấp . Hình I.2.2: Sơ đồ nguyên tắc của thiết bị hấp thụ V-100. Tháp hấp thụ; V-101. Tháp khử metane hoặc etane; T-100. Tháp giải hấp; E-101. Thiết bị trao đổi nhiệt; AC-100,101. Thiết bị ngưng tụ bằng không khí; C-100. Thiết bị ngưng tụ bằng nước; RC-100. Bình hồi lưu; RB-100. Bình gia nhiệt; I. Khí ẩm; II, V. Khí khô; III. Dung môi bão hòa; IV. Dung môi bão hòa đã khử metane hoặc etane; VI. Phân đoạn rộng HC; VII. Dung môi tái sinh. Trên sơ đồ Hình I.2.2 đưa ra sơ đồ nguyên lí để tách propane và các HC nặng. theo sơ đồ trên thì khí nguyên liệu sau khi được làm sạch, nén, sấy đến điểm sương cần thiết được đưa vào từ đáy của tháp hấp thụ V-100, chất hấp thụ đã được tái sinh được đưa vào từ đỉnh tháp. Trong thiết bị này các cấu tử chủ yếu từ C3 trở lên và một phần metane hoặc etane sẽ bị hấp thụ, khí khô ra từ đỉnh tháp, dung môi bão hòa ra từ đáy tháp. Dung môi bão hòa sẽ đi vào tháp khử metane hoặc etane V-101, trong đó các HC nhẹ (metane, etane) sẽ được loại bỏ khỏi dung môi bão hòa. Dung môi này được gia nhiệt ở thiết bị trao đổi nhiệt E-101 và đưa vào tháp giải hấp T-100, ở đỉnh tháp sẽ thu được hỗn hợp propane và các HC nặng (Condensate) được ngưng tụ ở thiết bị ngưng tụ AC-101 sau đó chảy về bình hồi lưu RC-100 từ đây một phần quay trở lại mâm trên cùng của tháp giải hấp, phần còn lại được đưa về tháp tách phân đoạn để sản xuất HC riêng biệt. Đáy tháp giải hấp được gia nhiệt bởi dòng dung môi tuần hoàn giữa đáy tháp và bình gia nhiệt RB-100. Dung môi tái sinh ra từ đáy tháp được làm nguội ở thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị ngưng tụ rồi đưa vào tháp hấp thụ và tháp khử metane (etane). 2.3 Phương pháp chưng cất [10,11] Quá trình trưng cất về mặt nhiệt động học thuận lợi hơn quá trình hấp thụ. Sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp (CNT) hiệu quả hơn. Khác nhau về mặt nguyên lí giữa sơ đồ CNT và NNT là nguyên liệu đi vào thiết bị sau khi làm lạnh không có sự tách sơ bộ mà được đưa thẳng vào tháp chưng, tại đó xảy ra sự phân tách khí nguyên liệu thành khí khô và các phân đoạn HC nặng (Condensate). Phụ thuộc vào sơ đồ nguyên lí của quá trình chưng cất nhiệt độ thấp, thiết bị cơ bản của sơ đồ là các tháp chưng cất được chia thành tháp chưng - bốc hơi và tháp ngưng tụ - bốc hơi. Hình I.2.3.1: Sơ đồ tháp chưng - bốc hơi E-100. Thiết bị trao đổi nhiệt; T-100. Tháp chưng – bốc hơi; E-101. Chu trình làm lạnh ngoài; S-100. Thiết bị tách; I. Khí nguyên liệu; II. Khí đã tách benzin; III. ống truyền nhiệt; IV. HC nặng; V. Hồi lưu. Tháp chưng - bốc hơi làm việc như tháp chưng liên tục, dòng khí nguyên liệu được làm lạnh sơ bộ tại thiết bị trao đổi nhiệt E-100 thu hồi nhờ dòng khí đã tách benzin được đưa vào phần giữa của tháp. Trên đỉnh tháp được làm lạnh bằng chu trình làm lạnh ngoài. Hỗn hợp khí được ngưng tụ hồi lưu về đĩa trên của tháp, khí sản phẩm đã tách benzin được dẫn theo đường II sau khi truyền nhiệt cho dòng khí nguyên liệu, HC nặng ra từ đáy tháp. Hỡnh I.2.3.2: Sơ đồ thỏp ngưng tụ - bốc hơi E-100. Chu trỡnh làm lạnh ngoài; V-100. Bỡnh tỏch; T-10. Thỏp ngưng tụ - bốc hơi; I. Khớ nguyờn liệu; II. Khớ đó tỏch benzin; III. Ống truyền nhiệt; IV. HC nặng. Thỏp ngưng tụ - bốc hơi khỏc thỏp chưng – bốc hơi chỗ hỗn hợp khớ nguyờn liệu được trộn với sản phẩm VI từ đỉnh thỏp, qua chu trỡnh làm lạnh ngoài hỗn hợp được đưa vào bỡnh tỏch V-100, khớ tỏch ra theo đường II, phần ngưng tụ theo đường V vào thỏp T-100. HC nặng được đưa ra theo đường IV. I.3 Các thiết bị ứng dụng trong công nghệ khí 3.1 Bình tách Các bình tách dầu - khí là một bộ phận của hệ thống khai thác dầu - khí trên bề mặt, được dùng để tách các sản phẩm khai thác thành lỏng - khí riêng biệt. • Phân loại theo hình dạng - Bình tách đứng - Bình tách ngang - Bình tách cầu • Phân loại theo khả năng tách pha - Bình tách hai pha - Bình tách ba pha • Nguyên lí tách - Tách cơ học: Tách nhờ trọng lực, ly tâm, va đập. - Tách nhờ hóa phẩm 3.2 Máy nén khí [4] Thông thường phải dùng các máy nén khí nhằm gia tăng áp suất để vận chuyển khí theo hệ thống ống vận chuyển. Một ứng dụng nữa của máy nén khí là làm giảm thể tích khí giúp cho việc vận chuyển khí bằng tàu, lưu trữ thuận lợi, máy nén khí tạo áp cao để bơm lượng khí vào vỉa để duy trì áp suất vỉa (khai thác gaslift). Hai loại máy nén khí thường dùng là máy nén khí li tâm, máy nén khí piston, ngoài ra một loại đặc biệt khác dùng làm thiết bị hòa khí là Ejector. Hiện nay tại Giàn nén khí nhỏ đang dùng loại máy nén pistông 4 cấp nén tác dụng kép do ý sản xuất. • Chọn lựa máy nén: tùy thuộc vào mục đích sử dụng của máy nén nên khi lựa chọn máy nén thì cần quan tâm các yếu tố sau: - Tính chất khí; tỉ trọng, tính nén, tỉ số nhiệt dung riêng, lưu lượng. - Tỉ số nén và áp suất vận hành - Nhiệt độ vận hành - Thiết bị dẫn động máy nén - Độ rung bề mặt sàn - Các chi phí • Công suất máy nén khí W th = m*(h2isen - h1) Trong đó: m : Lưu lượng khí qua máy nén (kg/s) h2isen : Enthanpy đầu ra máy nén (kJ/kg) h1 : Enthanpy đầu vào máy nén (kJ/kg) Wac = W th /E E : Hiệu suất của máy nén 3.3 Turbine khí [4] Turbine được ứng dụng trong công nghệ khí để dẫn động máy nén. Tại CCP sử dụng turbine Mars 100 do hãng Solar Turbines của Mỹ sản xuất. nhìn chung turbine có nguyên lí hoạt động, cấu trúc cơ bản và chu trình nhiệt động tương tự nhau. Nguyên lý hoạt động turbine khí Turbine khí là một loại động cơ nhiệt, biến nhiệt năng thành cơ năng. Theo ứng dụng của chu trình nhiệt động (Brayton). Về cấu trúc: hệ thống turbine khí gồm ba bộ phận chính sau đây: Hình II.3.3.1: Cấu trúc của Turbine -Buồng nén không khí: Dùng để nén dòng không khí lên áp suất cao cung cấp Oxy cho quá trình đốt cháy nhiên liệu trong buồng đốt. -Buồng đốt: Là nơi đốt cháy nhiên liệu tạo nên sản phẩm cháy có áp suất và nhiệt độ rất cao. -Turbine khí: Đây là nơi mà sản phẩm cháy từ buồng đốt vào ống tăng tốc của turbine (cánh tĩnh gắn trên thân turbine), qua ống tăng tốc nhiệt độ và áp suất dòng khí giảm xuống, tốc độ và động năng dòng khí tăng lên, sau đó dòng khí được thổi vào hệ thống cánh gắn trên đĩa quay của turbine (cánh động) ở đây động năng của dòng khí biến đổi thành cơ năng và làm quay trục turbine. Các quá trình nhiệt động của động cơ turbine: Hình II.3.3.2: Chu trình nhiệt động Brayton Quá trình nén: Không khí được máy nén của turbine hút và nén lên áp suất có thể tới 30 bar (tuỳ loại) để phục vụ cho việc đốt cháy hơi nhiên liệu, làm mát, điều khiển và làm kín. Trên đồ thị hình II.3.3.2, quá trình này được biểu diễn bằng đường 1-2. Quá trình đốt: Khí nhiên liệu được hòa trộn đều bởi lượng không khí nạp được tính toán theo chế độ hoạt động của động cơ với lượng nhiên liệu được phun vào theo tỷ lệ nhất định rồi đốt cháy trong buồng đốt của turbine. Đây là quá trình cháy đẳng áp. Trên đồ thị Hình II.3.3.2, quá trình này được biểu diễn bằng đường 2-3. Quá trình giãn nở: Hỗn hợp khí cháy giãn nở qua các cánh hướng dòng rồi qua các tầng cánh của turbine lực. Trong qúa trình giãn nở vận tốc dòng hỗn hợp khí kéo theo động năng dòng khí tăng lên. Khi tác động lên bề mặt của các cánh turbine động năng này sẽ chuyển hóa thành cơ năng (cụ thể là mô men quay). Trên đồ thị Hình II.3.3.2, quá trình này tương ứng với đường 3-4. Quá trình xả: Hỗn hợp khí cháy sau khi đã giãn nở qua các tầng cánh của turbine theo ống xả đi ra ngoài. Tương ứng với đường 4-1 trên Hình II.3.3.2. 3.4 Thiết bị thu hồi nhiệt HRSG (Heat Recovery Steam Generator) HRSG được thiết kế để tận thu nhiệt lượng sau đuôi Turbine khí. Về cấu tạo chung của HRSG là gồm hệ thống dãy ống “nhận nhiệt” song song chứa “lưu chất công nghệ”, các ống này được đốt trực tiếp từ nhiệt lượng sau đuôi Turbine. Hình II.3.4.1: ống “nhận nhiệt” của hãng MitSui BadCock Enery Ltd Hình II.3.4.2: Cấu tạo bên trong của HRSG cơ bản - ứng dụng HRSG trong công nghiệp điện: Trong công nghiệp điện, HRSG được ứng dụng phổ biến, và “lưu chất công nghệ” thường là nước. Sau khi nước trong ống “nhận nhiệt” hóa hơi, hơi nước này sẽ tác động lên Turbine hơi nước để chạy máy phát điện. Hình II.3.4.3: ứng dụng HRSG trong công nghiệp điện 3.5 Thiết bị làm mát, gia nhiệt, trao đổi nhiệt Theo yêu cầu của thiết bị và công nghệ mà dòng công nghệ cần phải giải nhiệt hoặc phải gia nhiệt. Các thiết bị trên tuy nhiệm vụ có khác nhau nhưng khi tính toán đều phải dựa vào hai phương trình cơ bản là phương trình truyền nhiệt và phương trình cân bằng nhiệt [7] • Phương trình truyền nhiệt: Q = U*A* t •Phương trình cân bằng nhiệt: Q = G1(i’1 - i’’1) = G2(i’’2 - i’2) Trong đó: Q: Lượng nhiệt trao đổi giữa hai chất tải nhiệt trong một đơn vị thời gian (W) G: Lưu lượng khối lượng (kg/s) U: Hệ số truyền nhiệt tổng của t"hiết bị (W/m2) A: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m2) t: Độ chênh nhiệt độ trung bình i: Enthapy (J/kg) Chỉ số “1” tương ứng chất tải nhiệt nóng Chỉ số “2” tương ứng chất tải nhiệt lạnh Dấu “ ’ ” tương ứng với các thông số khi vào thiết bị Dấu “ ” ” tương ứng với các thông số khi ra khỏi thiết bị - Nếu dòng nóng và lạnh chảy cùng chiều thì: - Nếu hai dòng ngược chiều nhau thì: 3.6 Van điều khiển [4] Trên đường công nghệ van đóng vai trò rất quan trọng như điều áp, chỉnh lưu, cách li, an toàn. Việc chọn van có kích cỡ đúng là rất quan trọng, nếu van quá nhỏ nó có thể không đáp ứng được yêu cầu cho dòng lưu chất đi qua, nếu quá lớn sẽ lãng phí và làm việc không ổn định. Mỗi van điều khiển đều có một hệ số Cv khác nhau phụ thuộc vào kích cỡ và loại van điều khiển. Để chọn được đúng van phải biết điều kiện dòng chảy thực tế và phương pháp tính toán Cv yêu cầu.Các công thức để tính kích thước van được chuẩn hoá bởi ISA được sử dụng khá rộng rãi. • Đối với chất lỏng dòng bán tới hạn (∆P < ∆PS /2FL2) Dũng thể tích :Cv = q*(Gf/∆P)0.5 Dòng khối lượng: Cv = W/[500* (Gf*∆P)0.5] • Đối với chất lỏng dòng hạn (∆P >= ∆PS *FL2) Dòng thể tích :Cv = q/FL * (Gf/∆PS)0.5 Dòng khối lượng: Cv = W/[500 FL * (Gf*∆PS)0.5 ] • Đối với chất khí dòng bán tới hạn (∆P < P1 /2FL2) Dòng thể tích :Cv = Q/963 * [G*T / ∆P(P1+P2)]0.5 Dòng khối lượng: Cv = W/3.22*[∆P(P1+P2) *Gf ]0.5 • Đối với chất khí dòng tới hạn (∆P >= P1 /2FL2) Dòng thể tích: CV = Q*(GT)0.5/834*FL*P1 Dòng khối lượng: CV = W/2.8*FL*P1*Gf0.5 Trong đó: CV: hệ số van FL: hệ số phục hồi áp P2: áp ra sau van P1: áp váo trước van (psia) W: lưu lượng (pph) Gf: tỉ trọng ∆P = P1 – P2 G: tỉ trọng khí T: nhiệt độ (oR) Q: lưu lượng khí ở 14.7 psia, oF(scfh) q: lưu lượng lỏng (gpm) ∆PS : chênh áp cực đại 3.7 Đặc tính của các quá trình công nghệ [1,4] Khi tính toán các quá trình công nghệ ta phải hiểu rõ điểm đặc biệt của quá trình, xem nó như là một điều kiện ràng buộc trong quá trình tính toán. 3.7.1 Quá trình tiết lưu qua van Tiết lưu là quá trình hỗn hợp đi qua một tiết diện co hẹp đột ngột như van, orifice, quá trình này nhiệt lượng trao đổi giữa hỗn hợp và môi trường rất bé, entropy sẽ tăng, khi tiết lưu sẽ xuất hiện những dòng xoáy và ma sát rất mạnh làm giảm áp suất. Khi bỏ qua biến đổi thế năng và nhiệt lượng trao đổi giữa lưu chất và môi trường ta có phương trình: h1 - h2 = (w22 - w12)/2 w: là vận tốc dòng. Tuy nhiên thực tế giá trị tốc độ thay đổi không nhiều cho nên: h1 = h2 Sự biến đổi nhiệt độ và áp suất qua quá trình tiết lưu được Joule -Thomson phát hiện và gọi là hiệu ứng Joule -Thomson. Theo ông khi qua van tiết lưu thì nhiệt độ thay đổi còn áp suất giảm. Hình II.3.7.1: Dự đoán sụt giảm nhiệt độ khi áp suất giảm khi qua van tiết lưu 3.7.2 Hỗn hợp theo dòng Thông thường thì áp suất hỗn hợp nhỏ hơn áp suất của từng dòng thành phần , trong trường hợp ống có cấu tạo đặc biệt thì dòng hỗn hợp có áp suất lớn hơn áp suất của một số dòng nhưng bắt buộc phải nhỏ hơn áp suất một dòng : m(h+w2/2) = Smi(hi +wi2/2) Trong thực tế thì có thể bỏ qua động năng của dòng lưu chất khi đó phương trình sẽ là: m*h = S mi(hi). 3.7.3 Quá trình gia nhiệt, trao đổi nhiệt Khi cấp nhiệt cho dòng hỗn hợp thì entanpy tăng và nhiệt độ tăng lên nhiệt lượng cung cấp cho quá trình gia nhiệt là Q = m*Dh, hay Q = C*m*DT 3.7.4 Qua máy nén khí, máy bơm, expander Đây là một quá trình đẳng entropy: s2 = s1 Công dẫn động máy nén là: DH = - W 3.7.5 Qua bình tách DH = 0 Lưu ý khi qua bình tách có sự phân chia khí - lỏng khi đó enthanpy của cùng một cấu tử trong mỗi pha sẽ khác nhau. Khi tính toán: hi = yi*hVi + xi*hLi