Chương 4.1 Tổng quan khí thiên nhiên 4.1.1 Đặc điểm, thành phần phân loại Đặc điểm khí thiên nhiên • Khí thiên nhiên khai thác từ giếng khí hay dầu • Tùy thuộc vào đặc tính giếng mà khai thác có tạp chất thành phần khác • Khí thiên nhiên khí khơng màu, khơng mùi (có mùi mecaptan cho vào) • Khí thiên nhiên có tính cháy • Thành phần chủ yếu khí thiên nhiên metan (CH4) • Tỷ trọng khí thiên nhiên khơng khí dao động khoảng rộng từ 0,55 - 1,1 • Nhiệt cháy cao 4.1 Tổng quan khí thiên nhiên 4.1.1 Đặc điểm, thành phần phân loại Đặc điểm khí thiên nhiên Bảng 4.1 Thành phần loại khí thiên nhiên KHÍ KHƠNG ĐỒNG HÀNH KHÍ ĐỒNG HÀNH Thành phần (%mole) Australia (N.W.Sheif) Algeria (Hassi R’Mel) Newzealand (Kapuni) Northsea (West Sole) Abu Dhabi (Zakum) North Sea (Forties) North Sea (Brent) N2 CO2 H2S CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12+ 1.0 3.2 3.2 85.3 5.8 2.0 0.8 1.9 6.1 0.2 0.2 83.5 7.0 2.0 0.8 0.4 1.0 44,9 4,49 46.2 5.2 2.0 0.6 0.1 1.2 0.5 0.5 94.3 3.1 0.5 0.2 0.2 0.7 2.3 0.6 72.0 13.9 6.5 2.6 1.4 1.2 0.7 0.7 46.5 13.2 19.8 10.6 8.0 0.9 0.9 0.9 74.0 12.4 7.5 2.9 1.4 4.1 Tổng quan khí thiên nhiên 4.1.1 Đặc điểm, thành phần phân loại Thành phần khí thiên nhiên Hydrocacbon no: chủ yếu từ C1 - C4, C4 - C7 Tsơi, °C Trạng thái T P thường Metan Etan Propan iso-Butan n- Butan -161,5 -88,5 -42,5 -12,1 -0,5 Khí iso-Petan n-Petan n-Hexan n-Heptan n-Octan 27,9 36,1 69,0 98,4 125,6 Lỏng Tên Phi hydrocacbon: H2O (hơi, lỏng), N2, CO2, H2S, COS, CS2, RSH, H2, He… Có số tạp chất cần phải tách để khơng ảnh hưởng đến q trình chế biến sau 4.1 Tổng quan khí thiên nhiên 4.1.1 Đặc điểm, thành phần phân loại Thành phần khí thiên nhiên Metan (C1) LNG Etan (C2) Propan (C3) Khí thiên nhiên Butan LPG Phân đoạn nặng C5+ Xăng thiên nhiên Condensat Non Hydrocacbon ( Nước, Cacbonic,…) NGL LPG – Liquified Petrolium Gas NGL – Natural Gas Liquids LNG – Liquified Natural Gas SNG – Synthetic Natural Gas 4.1 Các khái niệm khí thiên nhiên 4.1.1 Đặc điểm, thành phần phân loại Phân loại khí thiên nhiên Phân loại theo nhiều cách Theo nguồn gốc Khí đồng hành Khí khơng đồng hành Theo hàm lượng khí axit Khí chua Khí Theo thành phần C3+ Theo nhiệt trị Khí khơ (khí gầy, khí nghèo) Khí béo (khí ướt, khí giàu) 4.1 Các khái niệm khí thiên nhiên 4.1.1 Đặc điểm, thành phần phân loại Phân loại khí thiên nhiên theo nguồn gốc Khí khơng đồng hành (Unassociaed Natural Gas): Ø Là khí khai thác từ giếng khí giếng khí - condensate hay giếng khí - dầu (trong dầu chiếm tỷ lệ thấp) Ø M ỏ khí (gas well), M ỏ khí - dầu, M ỏ khí – condensate: Đặc điểm mỏ nhiệt độ cao (80 – 100oC) áp suất cao (P³ 3.107Pa) Trong q trình khai thác, khí đến đầu miệng giếng giảm áp suất nhiệt độ khiến phần dầu bị ngưng tụ gọi condensate, tách khỏi khí thiên nhiên, thường C5+ Khí đồng hành (Associated Natural Gas) Ø Là khí hòa tan dầu, lơi theo dầu trình khai thác tách khỏi dầu sau Ø Khí đồng hành thường khai thác từ mỏ dầu mỏ dầu – khí dầu nhiều khí 4.1 Tổng quan khí thiên nhiên 4.1.1 Đặc điểm, thành phần phân loại Phân loại khí thiên nhiên theo nguồn gốc Khí khơng đồng hành ü Thành phần mêtan chủ yếu 70 - 95%, C2 – C5 chiếm tỉ lệ thấp ü Thành phần khí tương đối Đặc điểm ổn định, thay đổi theo điều kiện lấy mẫu ü Tỷ khối so với không khí thấp: 0,55 – 0,65 Khí đồng hành ü Hàm lượng metan thấp khí khơng đồng hành, hàm lượng C3, C4 condensate chiếm tỷ lệ đáng kể ü Thành phần khí thay đổi nhiều tùy theo điều kiện lấy mẫu ü Tỷ khối so với khơng khí cao: ³1 4.1 Tổng quan khí thiên nhiên 4.1.1 Đặc điểm, thành phần phân loại Phân loại khí thiên nhiên Hình 4.1 Phân loại khí theo nguồn gốc 4.1 Tổng quan khí thiên nhiên 4.1.1 Đặc điểm, thành phần phân loại Phân loại khí thiên nhiên theo thành phần C3+ v Khí khơ (dry gas): thành phần khí chủ yếu metan, khơng chứa chứa hydrocacbon C3+ Khí thiên nhiên khai thác từ mỏ khí thuộc loại khí khơ v Khí ướt (wet gas): thành phần chủ yếu mêtan có chứa lượng đáng kể C3+ Khí khai thác từ mỏ khí - condensate khí đồng hành có chứa lượng đáng kể C3+ nên thuộc loại khí béo Hàm lượng C + £ 50 g/m : khí khơ, khí gầy 50 g/m < hàm lượng C + < 400 g/m : khí trung bình Hàm lượng C + ³ 400g/m : khí béo, khí ướt 4.2 Các q trình chế biến khí 4.2.2 Chế biến khí phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp Chất làm lạnh ngọai hỗn hợp : vTrong sơ đồ với chất làm lạnh ngoại hỗn hợp: chất làm lạnh tuần hoàn hệ thống kín (máy nén khí- máy lạnh - bay - máy nén khí) Þ chu trình lạnh ngoại , Sử dụng chất làm lạnh hỗn hợp cho T thấp nhiều Þ j cao v Chất làm lạnh hỗn hợp chia thành nhóm: - Thành phần cố đònh chuẩn bò sẵn ngoài: Sơ đồ không khác với sơ đồ chu trình lạnh propan ngoại - Nhận trực tiếp sơ đồ, thành phần thay đổi Sơ đồ phức tạp 78 4.2 Các q trình chế biến khí 4.2.2 Chế biến khí phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp Chu trình làm lạnh nội : v Chia thành nhóm: - tiết lưu dòng lỏng - giản nở khí v Có thể ứng dụng tất nguồn lạnh tiết lưu dòng lỏng, không kinh tế ứng dụng phức tạp v Ứng dụng làm lạnh nội: - Khí có độ béo thấp (C3+ < 70 ¸ 75 g/m3) j thấp - Khí đồng hành: kết hợp làm lạnh propan ngoại làm lạnh nội: Trong giai đoạn I: làm lạnh tới -30oC nhờ làm lạnh ngoại, Trong giai đoạn II: nhiệt độ thấp - tiết lưu dòng lỏng - Làm lạnh hỗn hợp nội ngoại ứng dụng cho khí có độ béo trung bình (C3+ » 300 g/m3) Khí có hàm lượng C3+ > 70 ¸ 75 g/m3 cần có j cao Þ ứng dụng làm lạnh hỗn hợp 79 4.2 Các q trình chế biến khí 4.2.2 Chế biến khí phương pháp hấp thụ nhiệt độ thấp Bản chất vật lý v Bản chất trình: khuếch tán vật chất chuyển từ pha sang pha khác có chênh lệch nồng độ đạt trạng thái cân v Động lực khuếch tán: chênh lệch áp suất riêng phần nguyên tố pha khí lỏng Để thuận tiện, động lực không biểu diễn thông qua áp suất riêng phần, mà qua nồng độ nguyên tố v Hấp thụ giải hấp tiến hành thiết bò hấp thụ chưng cất dạng mâm dạng đệm 4.2 Các q trình chế biến khí 4.2.2 Chế biến khí phương pháp hấp thụ nhiệt độ thấp Hình Hệ thống dòng vật chất hấp th ụ I - khí nguyên liệu; II - chất hấp thụ bão hòa; III - khí khơ IV - chất hấp thụ Các ký hiệu hình: Yij - hàm lượng cấu tử i pha khí khỏi mâm j, mol/mol khí nguyên liệu; Xij - hàm lượng cấu tử i pha lỏng rơi xuống từ mâm j, mol/mol chất hấp thụ hoàn nguyên; Xo - hàm lượng H/C thu hồi lẫn chất hấp thụ hoàn nguyên, mol/mol chất hấp thụ hoàn nguyên; Kij - hệ số cân pha cấu tử i mâm j; Lo - lưu lượng chất hấp phụ tuần hoàn, mol/giờ; Lj - lưu lượng pha lỏng rời khỏi mâm j, mol/giờ; Ln - lưu lượng pha lỏng rời khỏi tháp, mol/giờ; Gj - lưu lượng pha rời khỏi mâm j, mol/giờ; Gn+1 - lưu lượng khí nguyên liệu vào tháp hấp phụ, mol/giờ G1 - khối lượng khí khô, mol/giờ; L’o - thể tích chất hấp thụ hoàn nguyên đưa vào tháp hấp thụ, l/giờ; 81 4.2 Các q trình chế biến khí 4.2.2 Chế biến khí phương pháp hấp thụ nhiệt độ thấp Sơ đồ công nghệ nguyên tắc chế biến khí PP hấp thụ vSơ đồ hấp thụ gồm có: thiết bò tách, nén làm khô khí, tháp hấp thụ, tháp demetan deetan tháp giải hấp + Trong tháp demetan deetan giải hấp H/C (C2+ C3+) từ chất hấp hấp thụ bão hòa vSơ đồ công nghệ nguyên tắc trình hấp thụ thu hồi C3+ (sơ đồ hấp phụ dầu (HTD) vSơ đồ đặc trưng cho sơ đồ hấp thụ đại: Khả hấp thụ khí nguyên liệu chất hấp thụ hoàn nguyên làm lạnh máy lạnh không khí nước đến 25 ¸ 35oC tạo Trong sơ đồ tiên tiến khí chất hấp thụ làm lạnh nhờ chu trình làm lạnh tương ứng đến nhiệt độ -30 ¸ -45oC vj jC3 = 40 ¸ 50%; jC4 = 85 ¸ 90%, jxăng = 95 ¸ 100% 82 4.2 Các q trình chế biến khí 4.2.2 Chế biến khí phương pháp hấp thụ nhiệt độ thấp Trong sơ đồ chế độ nhiệt HTBH qui đònh chặt chẽ nhiệt độ tháp hấp thụ tháp giải hấp: - T cấp T sản phẩm đáy tháp hấp thụ qui đònh; Tdưới lượng chất hấp thụ tuần hoàn Tdưới tháp giải hấp qui đònh Þ Không cho phép tối ưu hóa chế độ công nghệ HTBH - Chế độ nhiệt không điều chỉnh theo chiều cao Þ Với sơ đồ cứng nhắc bội số hồi lưu HTBH cao thất thoát propan khí khô tháp HTBH lớn, đồng thời có khó khăn điều hành tháp giải hấp hàm lượng etan sản phẩm HTBH cao Hình 4.21 Sơ đồ hệ thống hấp thụ dầu 1- Tháp hấp thụ; 2- tháp hấp thụ- bay hơi; 3- tháp giải hấp; 4, 5- trao đổi nhiệt thu hồi; 6, 7làm lạnh không khí; 8- làm lạnh không khí nước; 9- bồn chứa; 10- nồi sôi lại I- Khí nguyên liệu; II- khí khô; III- chất hấp thụ bão hòa;IV- chất hấp thụ bão hòa loại 83 etan;V- khí khô; VI- phân đọan hydrocarbon; VII- chất hấp thụ hoàn nguyên 4.2 Các q trình chế biến khí 4.2.2 Chế biến khí phương pháp hấp thụ nhiệt độ thấp vCải tiến: -Sử dụng hệ thống làm lạnh chuyên dụng bên cạnh nước (không khí) -Hệ sơ đồ có hai phần : + NTNĐT: có loại xăng trước khí nguyên liệu + HTNĐT: có jC3 từ khí đồng hành cao: HTNĐT : jC3 = 90-95% cần T= -30 ¸ -38oC, NTNĐT cần làm lạnh đến -80 đến -85oC -Sử dụng chất hấp thụ nhẹ ( M= 80-140), chi phí riêng < 11,5 l/m3 Þ tăng mức thu hồi sản phẩm giảm chi phí riêng cho chế biến khí 25-50% 84 4.2 Các q trình chế biến khí 4.2.2 Chế biến khí phương pháp hấp thụ nhiệt độ thấp Hình 4.22 Sơ đồ công nghệ hấp thụ nhiệt độ thấp (HTN ĐT) Chế biến khí thiên nhiên phương pháp hấp thụ nhiệt độ thấp để thu hồi C3+ v Sơ đồ HTNĐT thu hồi C3+ từ khí thiên nhiên: - Công suất: 8,57 tỷ m3/năm; gC3 = 84% - Sử dụng chất hấp thụ: M = 100 M =140 - Tháp hấp thụ (7): khoang độc lập (A B): + M=100 – hấp phụ khí nặng + M =140(T cao hơn) : hấp thụ M=100 Tháp HTBH (12): Gia nhiệt phần nhờ dòng tuần hoàn - Tháp hấp thụ (7): khoang độc lập (A B): + M=100 – hấp phụ khí nặng + M =140(T cao hơn) : hấp thụ M=100 - Tháp HTBH (12): Gia nhiệt phần nhờ dòng tuần hoàn Hình 4.22 Sơ đồ công nghệ HTNĐT thu hồi C3+ từ khí thiên nhiên 1, 2, 8, 13,14,15 - Trao đổi nhiệt; 3, 4,10- thiết bò làm lạnh C3; 5, 6, 11 - tháp tách; 7- tháp hấp thụ; 9- thiết bò gia nhiệt; 12- tháp hấp thụ bay (HTBH); 16- máy lạnh không khí; 17- bể chứa; 18- tháp giải hấp; 19- lò nung I- Khí nguyên liệu; II- dung dòch EG; III - khí khô tháp HTBH sau phận bão hòa trước chất hấp thụ hoàn nguyên;IV- khí khô từ tháp hấp thụ; V- khí khô; VI, XII- chất hấp thụ M=100 bão hòa hydrocarbon nhẹ; VII - chất hấp thụ hoàn nguyên với M= 140; VIII- chất hấp thụ bão hòa M=100; IX - EG tự do; X- condensat; XI- khí;85XIIIkhí khô; XIV- chất hấp thụ bão hòa loại etan M= 100; XV- C3+; XVI - chất hấp thụ hoàn nguyên M= 100 4.2 Các q trình chế biến khí 4.2.3 Chế biến khí phương pháp chưng cất nhiệt độ thấp vKhí làm lạnh tăng P ® chuyển sang trạng thái lỏng ® chưng cất vNhiệt độ sôi khí H/C (oC): •metan: -161,5; neopentan: +9,5; •etan: -88,3; isopentan: +27,9; •propan: -42,4; pentan: +36,0 •isobutan: -10,2; •n-butan: -0,05; vChênh lệch nhiệt độ sôi (DTsoõi ) C1 vaứ C2 = 70oC ị ụỷ -160 ¸ -170oC, hút chân không Þ metan khỏi etan •C2 vaø C3 = 46oC, •C3 vaø iso-C4 : 32oC •DT H/C nặng (iso-C6, C7 nặng hơn) không đáng kể Þ chưng cất không nhận H/C riêng lẻ có độ đủ cao 86 4.2 Các q trình chế biến khí 4.2.3 Chế biến khí phương pháp chưng cất nhiệt độ thấp vQuá trình chưng cất nhiệt động học thuận lợi trình hấp thụ CCNĐT hiệu cao HTNĐT, thiết bò đơn giản vSự khác hệ CCNĐT so với NTNĐT: nguyên liệu làm lạnh, không tách trước Þ tháp chưng cất, Þ tách khí khô (sản phẩm đỉnh) phân đoạn H/C ( sản phẩm đáy) vPhân loại: phụ thuộc vào sơ đồ CCNĐT, tháp chưng cất chia thành: - Tháp chưng cất- bay hơi: nguyên liệu làm lạnh đưa vào tháp Họat động tháp chưng cất túy - Tháp ngưng tụ - bay hỗn hợp tách Þ vào mâm 87 4.2 Các q trình chế biến khí 4.2.3 Chế biến khí phương pháp chưng cất nhiệt độ thấp vYếu tố ảnh hưởng đến họat động tháp CCNĐT: Tăng P: - chi phí lạnh cho phân tách khí giảm không đáng kể - chi phí lượng giảm đáng kể trình diễn T cao Thông số công nghệ- lượng tối ưu: - T làm lạnh trước nguyên liệu: -20oC P = 2,5-3,0 MPa Þ j C2 = 50%, j C3 = 92,93%; j C4+ = 100% Tyû lệ chi phí tuần hoàn lạnh thực/ giá trò tối thiểu theo tính tóan = 1,551,78 88 4.2 Các q trình chế biến khí 4.2.3 Chế biến khí phương pháp chưng cất nhiệt độ thấp Hình 4.23.Sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp có hai cửa nạp 1.Trao đổi nhiệt;2 tháp bay propan; tháp tách ba pha; máy bơm; tháp chưng cất; nồi sôi lại I Khí nguyên liệu; II khí khô;III phân đoạn H/C; IV DEG 75%;V DEG 9899%;VI chất tải nhiệt 89 4.2 Các q trình chế biến khí 4.2.3 Chế biến khí phương pháp chưng cất nhiệt độ thấp Hình 4.24 Sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp có thiết bò giản nở turbin 1,3- Tháp tách; 2- máy nén khí; 4- trao đổi nhiệt đa dòng; 5- phận giản nở turbin; 6- tháp 90 chưng cất I Khí nguyên liệu; II khí khô; III phân đoạn hydrocarbon; IV propan 4.2 Các q trình chế biến khí 4.2.3 Chế biến khí phương pháp chưng cất nhiệt độ thấp Thông số NTNĐT CCNĐT Nạp cửa Mức thu hồi: C3 C3+ Nhiệt lượng lạnh, triệu kJ/giờ Nhiệt lượng nóng, triệu kJ/giờ Lượng phân đoạn H/C, ngàn tấn/năm Chi phí lượng riêng, kW.giờ 76 83,2 52,5 46,0 780,1 300 66,3 79,2 39,2 34,4 174,35 24,2 Nạp cửa 73,1 82,3 39,2 35,6 179,74 23,2 -j : NTNÑT - cao nhất, CCNĐT cửa - thấp -Chỉ số kinh tế- công nghệ: CCNĐT hai cửa nạp tốt Þ CCNĐT hai cửa nạp dùng cho chế biến khí béo để thu C3+ lợi 91 4.2 Các q trình chế biến khí 4.2.3 Chế biến khí phương pháp chưng cất nhiệt độ thấp v Các tham số thiết bò NTNĐT với deetan hóa trước thiết bò CCNĐT: NTNĐT CCNĐT Nhiệt độ làm lạnh thấp nhất, oC -37 -30 Chi phí nhiệt lượng tháp sôi, ngàn kJ 569 429 Tổng chi phí nhiệt lạnh, ngàn kJ 641 617 98,36 98,50 Tổng chi phí lượng chu trình lạnh, kW.giờ Tỷ lệ nhiệt lạnh nhiệt độ chất làm lạnh, kJ/oC 322/-43 544/-36 73/13 184/-20 134/0 Þ - Công suất lạnh - Ưu điểm CCNĐT: §T cao ( T bể chứa hồi lưu -30oC) (Cùng j: T tháp tách NTNĐT:-37oC) §CCNĐT không đòi hỏi thu hồi nhiệt lạnh condensat tạo thành ® nhu cầu thiết bò trao đổi nhiệt §CCNĐTø chi phí nhiệt lượng tháp sôi thấp (30%) 92 ... dụng chế biến khí Hình 4.9 Các bao pha đặc trưng cho loại giếng dầu- khí 30 4.1 Tổng quan khí thiên nhiên 4.1.2 Các tính chất Trạng thái pha – Giản đồ pha Giản đồ pha ứng dụng chế biến khí Xem... C3+ nên thuộc loại khí béo Hàm lượng C + £ 50 g/m : khí khơ, khí gầy 50 g/m < hàm lượng C + < 400 g/m : khí trung bình Hàm lượng C + ³ 400g/m : khí béo, khí ướt 4.1 Tổng quan khí thiên nhiên 4.1.1... phần khối lượng: x’i = gi / 4.1 Tổng quan khí thiên nhiên 4.1.2 Các tính chất Các phương trình trạng thái khí hydrocacbon Trong tính tốn kỹ thuật q trình chế biến khí: ØCần xác định tính chất nhiệt