Đ ÁN MÔN H CỒ Ọ
PH N I : T NG QUAN LÝ THUY TẦ Ổ Ế
CH NG I : GI I THI UƯƠ Ớ Ệ
1Thành ph n khí t nhiên và khí đ ng hành .ầ ự ồ
Khí t nhiên bao gựm 2 thành ph n chính: hydrocacbon và ồ ầ phi hydrocacbon.
-Hydrocacbon: ch y u t C1-C4,C4 - C7 ít h n.ủ ế ừ ơ
-Hdrocacbon không no: H2O (h i, l ng), N2, CO2, H2S, COS, CS2, RSH, H2,ơ ỏ
He…còn có ch a m t l ng đáng k các t p ch t có tính axit nh cacbonic (COứ ộ ượ ể ạ ấ ư 2),
hydrosunfua (H2S) và các h p ch t ch a l u huỳnh khác nh oxyt l u huỳnh cacbonợ ấ ứ ư ư ư
(COS), disunfua cacbon (CS2), mecaptan (RSH)...
Các t p ch t k trên là các t p ch t không mong mu n trong quá trình khai thác,ạ ấ ể ạ ấ ố
ch bi n, v n chuy n, s d ng và b o qu n khí cho m c đích làm nguyên li u đ t,ế ế ậ ể ử ụ ả ả ụ ệ ố
t ng h p h u c -hóa d u... S t n t i c a các khí axit gây nên s ăn mòn kim lo i,ổ ợ ữ ơ ầ ự ồ ạ ủ ự ạ
gi m hi u qu c a các quá trình xúc tác, làm ng đ c xúc tác, gây ô nhi m môi tr ng,ả ệ ả ủ ộ ộ ễ ườ
đ c h i cho ng i s d ng... Bên c nh đó s có m t hàm l ng cao COộ ạ ườ ử ụ ạ ự ặ ở ượ 2 trong khí
cũng làm gi m nhi t cháy c a khí, gi m hi u qu c a quá trình v n chuy n khí.S cóả ệ ủ ả ệ ả ủ ậ ể ự
m t c a các c u t mang tính axit trong khí c n ph i đ c kh ng ch m t hàm l ngặ ủ ấ ử ầ ả ượ ố ế ở ộ ượ
đ nh nh m gi m thi u nh ng tác h i mà các khí axit này gây ra cho thi t b , máy móc,ủ ỏ ằ ả ể ữ ạ ế ị
môi tr ng và sinh v t.ườ ậ
C ng hòa liên bang Nga quy đ nh hàm l ng Hộ ị ượ 2S không đ c v t quá 22mg/mượ ượ 3
còn M quy đ nh kh t khe h n: hàm l ng Hỹ ị ắ ơ ượ 2S không đ c v t quá 5,7mg/mượ ượ 3; n ngồ
đ COộ2 trong kho ng 1÷2% th tích; ả ể ∑[S] ≤ 22 ÷ 228 mg/m3,…
Trên th gi i đã có r t nhi u nghiên c u nh m làm s ch khí t nhiên và khí đ ngế ớ ấ ề ứ ằ ạ ự ồ
hành kh i các c u t axit b ng các ph ng pháp h p ph và ph ng pháp h p th .Vi cỏ ấ ử ằ ươ ấ ụ ươ ấ ụ ệ
l a ch n các ph ng pháp làm ng t khí c n chú ý đánh giá thành ph n c a nguyên li uự ọ ươ ọ ầ ầ ủ ệ
bao g m c t p ch t mà trong khí thành ph m yêu c u ph i lo i b . M t s t p ch tồ ả ạ ấ ẩ ầ ả ạ ỏ ộ ố ạ ấ
khi tác d ng v i các dung môi có th hình thành các h p ch t hóa h c mà trong giaiụ ớ ể ợ ấ ọ
đo n tái sinh s không b phân h y (ph n ng không thu n ngh ch trong đi u ki n quáạ ẽ ị ủ ả ứ ậ ị ề ệ
trình). Đi u này d n đ n gi m ho t tính dung môi và k t qu là dung môi m t hoàn toànề ẫ ế ả ạ ế ả ấ
ho t tính.ạ
Th c t cho có nh ng l ng t p ch t nh đôi khi l i gây nh ng nh h ng r t l nự ế ữ ượ ạ ấ ỏ ạ ữ ả ưở ấ ớ
đ n vi c l a ch n dung môi ho c công ngh làm s ch khí. Ví d nh t l Hế ệ ự ọ ặ ệ ạ ụ ư ỷ ệ 2S/CO2
trong khí nguyên li u c n ph i đ c các nhà công ngh xem xét th n tr ng do n ng đệ ầ ả ượ ệ ậ ọ ồ ộ
H2S trong cáckhí axit là y u t quy t đ nh l a ch n công ngh , ph ng pháp làm s chế ố ế ị ự ọ ệ ươ ạ
khí, ph ng pháp x lý và thu h i ch t th i c a công ngh ...ươ ử ồ ấ ả ủ ệ
Khí thiên nhiên không k t ngu n nào khi tách ra kh i d u thô (n u có) th ngể ừ ồ ỏ ầ ế ườ
t n t i trong các h n h p v i các hydrocacbon khác, ch y u là Cồ ạ ỗ ợ ớ ủ ế 2H6, C3H8, C4H10, và
Đ ÁN MÔN H CỒ Ọ
C5H11. Ngoài ra, khí thiên nhiên thô còn ch a h i n c, Hứ ơ ướ 2S, CO2, He, N2 và các h p ch tợ ấ
khác.
Trong thành ph n c a khí t nhiên và khí đ ng hành, ngoài các c u t chính làầ ủ ự ồ ấ ử
cáchydrocacbon no còn có m t l ng đáng k các t p ch t có tínhaxit nh COộ ượ ể ạ ấ ư 2, H2S
vàcác h p ch t ch a l u huỳnh khác nh COS, CSợ ấ ứ ư ư 2 ,mercaptan RSH, thiophen... gây đ cộ
h i cho ng i s d ng, ô nhi m môitr ng, ng đ c xúc tác,và gây nhi u khó khăn choạ ườ ử ụ ễ ườ ộ ộ ề
quá trình v n chuy n vàs d ng. Vì v y c n lo i các t p ch t có tính axit ra kh i h nậ ể ử ụ ậ ầ ạ ạ ấ ỏ ỗ
h p khí tr c khi làm nguyên li u quá trình ti p theo .ợ ướ ệ ế
Có các ph ng pháp làm ng t khí nh sau :ươ ọ ư
•Ph ng pháp h p th : H p th Hóa H c và h p th V t Lý .ươ ấ ụ ấ ụ ọ ấ ụ ậ
•Ph ng pháp h p ph .ươ ấ ụ
Dùng các ch t h p ph thong th ng nh ấ ấ ụ ườ ư Silicagel, Al2O3, than ho t tính,ạ
zeolit,các oxit kim lo i: Fe2O3, ZnO,...ạ
•Ph ng pháp th m th u .ươ ẩ ấ
S d ng màng – Membraneử ụ
Quá trình s d ng màng là m t quá trình nh m lo i b CO2 (s l ngử ụ ộ ằ ạ ỏ ố ượ
l n) và v t H2S t khí t nhiên. Khi H2S có hàm l ng cao thì quá trình nàyớ ế ừ ự ượ
không đ c áp d ng do h p ch t c a S hình thành trên màng gây b t l i cho quáượ ụ ợ ấ ủ ấ ợ
trình.
Có 2 lo i màng:ạ
màng Spiral Wound: t m cu n l iấ ộ ạ
màng Hollow fiber: d ng s iạ ợ
Quá trình h p ph v t lý có quan h v i vi c s d ng sàng phân tấ ụ ậ ệ ớ ệ ử ụ ử
cho vi c lo i b khí axit. Quá trình này không thích h p cho vi c lo i bệ ạ ỏ ợ ệ ạ ỏ
l ng l n khí axit, th ng là đ c áp d ng đ lo i b v t (c ppm) H2Sượ ớ ườ ượ ụ ể ạ ỏ ế ỡ
hay CO2.
CH NG II : C S HOÁ LÝ C A QUÁ TRÌNH LÀM NG T KHÍ B NG H PƯƠ Ơ Ở Ủ Ọ Ằ Ấ
THỤ
Đ ÁN MÔN H CỒ Ọ
Gi i thi u quá trình h p th .ớ ệ ấ ụ
H p th là quá trình pha l ng hút pha khí. Khí đ c hút là ch t b h p th , ch tấ ụ ỏ ượ ấ ị ấ ụ ấ
l ng hút khí là ch t h p th hay là dung môi. Đi kèm quá trình h p th là quá trình nhỏ ấ ấ ụ ấ ụ ả
h p th .ấ ụ
H p th và nh h p th là hai quá trình chuy n kh i c b n đ c s d ng đấ ụ ả ấ ụ ể ố ơ ả ượ ử ụ ể
tách các c u t không mong mu n ra kh i khí t nhiên và khí đ ng hành. B n ch t hoáấ ử ố ỏ ự ồ ả ấ
lý c a hai quá trình là s hình thành cân b ng gi a hai pha khí l ng do s khu ch tán tủ ự ằ ữ ỏ ự ế ừ
ch t pha n sang pha kia. Đ ng l c c a quá trình khu ch tán là s chênh l ch riêng ph nấ ọ ộ ự ủ ế ự ệ ầ
gi a các c u t trong pha l ng và pha khí. N u áp su t riêng ph n c a c u t trong phaữ ấ ử ỏ ế ấ ầ ủ ấ ử
khí l n h n trong pha l ng thì s x y ra quá trình h p th , còn ng c l i thì x y ra quáớ ơ ỏ ẽ ả ấ ụ ượ ạ ả
trình nh h p th . Th c t , tính toán đ ng l c c a quá trình khu ch tán đ c tính quaả ấ ụ ự ế ộ ự ủ ế ượ
n ng đ các c u t , vì áp su t riêng ph n t l v i n ng đ .ồ ộ ấ ử ấ ầ ỉ ệ ớ ồ ộ
Ch t h p th c n tho mãn yêu c u sau :ấ ấ ụ ầ ả ầ
•Có kh năng h p th ch n l c.ả ấ ụ ọ ọ
•Có áp su t h i bão hoà bé đ m t mát dung môi trong quá trình là bé nh t.ấ ơ ể ấ ấ
•Nhi t dung riêng bé đ tiêu t n năng l ng trong quá trình tái sinh là nhệ ể ố ượ ỏ
nh t.ấ
•Nhi t đ sôi khác xa nhi t đ sôi c a ch t b h p th , nh th d tái sinhệ ộ ệ ộ ủ ấ ị ấ ụ ờ ế ễ
dung môi b ng ch ng c t.ằ ư ấ
•Nhi t đ đóng r n th p đ tránh b đóng r n trong quá trình làm vi c.ệ ộ ắ ấ ể ị ắ ệ
•Đ nh t ch t h p th nh .ộ ớ ấ ấ ụ ỏ
•Không t o thành k t t a khi h p th .ạ ế ủ ấ ụ
•Có đ b n nhi t và đ b n oxy hoá.ộ ề ệ ộ ề
•Ít ăn mòn thi t b .ế ị
•Không gây đ c h i cho môi tr ng và con ng i.ộ ạ ườ ườ
•Giá thành r và d ki m.ẻ ễ ế
Quá trình h p th đ c s d ng khá ph bi n trong công ngh hoá h c nói chungấ ụ ượ ử ụ ổ ế ệ ọ
và công ngh hoá d u nói riêng. Quá trình h p th và nh h p th đ c ti n hành trongệ ầ ấ ụ ả ấ ụ ượ ế
quá trình kín.
Đ tách các c u t có tính axit nh Hể ấ ử ư 2S,CO2…trong khí t nhiên và đ ng hànhự ồ
ng i ta ch y u s d ng quá trình h p th b i tính kinh t và hi u qu c a nó. Có haiườ ủ ế ử ụ ấ ụ ở ế ệ ả ủ
quá trình h p th c b n là quá trình h p th hoá h c và v t lý.ấ ụ ơ ả ấ ụ ọ ậ
C s hóa lý quá trình h p th .ơ ở ấ ụ
Đ hòa tan c a khí trong l ng .ộ ủ ỏ
Khí hòa tan trong l ng s t o thành h n h p hai c u t , có hai thành ph n và haiỏ ẽ ạ ỗ ợ ấ ử ầ
pha. H th ng nh v y theo quy t c pha (θ=2; K=2; C=2-2+2=2 ) đ c coi nh h n h pệ ố ư ậ ắ ượ ư ỗ ợ
l ng có hai thành ph n. Cân b ng pha đ c xác b i áp su t, nhi t đ và n ng đ . N uỏ ầ ằ ượ ở ấ ệ ộ ồ ộ ế
nhi t đ không đ i thì đ hòa tan ph thu c vào áp su t. S ph thu c này đ c bi uệ ộ ổ ộ ụ ộ ấ ự ụ ộ ượ ể
th b ng đ nh lu t Henry:ị ằ ị ậ
ycb= m.x
B ng 1. ảH s Henry c a dung d ch khíệ ố ủ ị
H s Henry c a dung d ch khíệ ố ủ ị
Khí nhi t đệ ộ
Đ ÁN MÔN H CỒ Ọ
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Meta
n17 22,6 28,5 34,1 39,5 43,9 47,6 50,6 51,8 52,6 53,3
Etan 9,55 14,4 20 26 32,2 37,9 42,9 47,4 50,2 52,2 52,6
Hydr
o
sunfu
a
0,208 0,278 0,367 0,463 0,566 0,672 0,782 0,905 1,03 1,09 1,12
Cacb
on
dioxy
t
0,553 0,792 1,08 1,14 1,77 2,15 2,59
…
… … …
L uư
huỳn
h
dioxit
0,012
5
0,018
40.027 0,036
4
0,049
5
0,065
5
0,083
90,104 0,128 0,15 …
Đ i v i khí lý t ng, m là h ng s , dung đ bi u di n quan h yố ớ ưở ằ ố ể ể ễ ệ cb=f(x) là đ ngườ
th ng. Đ i v i khí th c, m ph thu c vào x nên đ ng th ng là đ ng cong. H ng sẳ ố ớ ự ụ ộ ườ ẳ ườ ằ ố
cân b ng đ c tính:ằ ượ
m=Ψ/P
v i: Ψ là h s Henry, có th nguyên c a áp su t.ớ ệ ố ứ ủ ấ
P là áp su t, at.ấ
Đ ÁN MÔN H CỒ Ọ
Khi tính toán quá trình h p th , ta th ng dung ph n mol t ng đ ng X,Y.ấ ụ ườ ầ ươ ươ
Quan h gi a ph n mol x,y và ph n mol t ng đ i X,Y nh sau:ệ ữ ầ ầ ươ ố ư
y= và x=
Ta có m i quan h sau:ố ệ
Y=
Nh v y quan h cân b ng tính theo ph n mol t ng đ i là đ ng cong.ư ậ ệ ằ ầ ươ ố ườ
Ph ng trình đ ng làm vi c c a quá trình h p th .ươ ườ ệ ủ ấ ụ
Ph ng trình đ ng làm vi c c a quá trình h p th đ c l p trên c s lýươ ườ ệ ủ ấ ụ ượ ậ ơ ở
thuy t hai l p màng. Đó là l p màng ngăn cách gi a pha l ng và khí. Qua l p màng, khíế ớ ớ ữ ỏ ớ
trong h n h p s khu ch tán vào pha l ng.ỗ ợ ẽ ế ỏ
Khi tính cân b ng v t li u, th ng ng i ta cho tr c h n h p khí, n ng đ đ uằ ậ ệ ườ ườ ướ ỗ ợ ồ ộ ầ
và cu i c a khí b h p th trong h n h p khí và trong dung môi.ố ủ ị ấ ụ ỗ ợ
G i:ọGy- l ng h n h p khí vào thi t b h p th , kmol/h;ượ ỗ ợ ế ị ấ ụ
Yđ- n ng đ đ u c a h n h p khí, kmol/kmol khí tr ;ồ ộ ầ ủ ỗ ợ ơ
Yc- n ng đ cu i c a h n h p khí, kmol/kmol khí tr ;ồ ộ ố ủ ỗ ợ ơ
Gx- l ng dung môi vào thi t b h p th , kmol/h;ượ ế ị ấ ụ
Xđ- n ng đ đ u c a dung môi, kmol/kmol dung môi;ồ ộ ầ ủ
Xc- n ng đ cu i c a dung môi, kmol/kmol dung môi;ồ ộ ố ủ
Gtr- l ng khí tr ;ượ ơ
L ng khí tr đ c tính theo công th c:ượ ơ ượ ứ
Gtr= Gy.= Gy.(1-yđ) , kmol/h
Ph ng trình cân b ng v t li u trong tháp h p th :ươ ằ ậ ệ ấ ụ
Gtr.(Yđ-Yc)=Gx.(Xc-Xđ)
L ng dung môi c n thi t:ượ ầ ế
Gx=Gtr. , kmol/h
L ng dung môi t i thi u c n dung cho quá trình h p th :ượ ố ể ầ ấ ụ
Gx min=Gtr.
Xcb.đ-n ng đ cân b ng ng v i n ng đ đ u c a h n h p khí.ồ ộ ằ ứ ớ ồ ộ ầ ủ ỗ ợ