Đồ án Phương pháp chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp

ủa nước trong khí có thể tạo hydrat, cản trở quá trình vận hành của các thiết bị trong quá trình chế biến khí ( như bơm, quạt, máy nén). Để hạn chế tác hại của hiện tượng này, khí cần được dehydrat bằng cách sấy khí hoặc trộn thêm vào khí hoặc trộn thêm vào khí tác nhân ức chế quá trình tạo hydrat. Mục đích của quá trình sấy khí hay dùng chất ức chế tạo hydrat là tách bớt lượng hơi nước và tạo ra cho khí có nhiệt độ điểm sương theo nước thấp hơn so với nhiệt độ cực tiểu mà tại đó khí được vận chuyển hay chế biến. Có nhiều phương pháp để sấy khí: - Sấy khí bằng phương pháp hấp thụ - Sấy khí bằng phương pháp hấp phụ. - Sử dụng chất ức chế quá trình tạo hydrat. Để làm sạch khí khỏi H2S, CO2 và các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh ta thường sử dụng các dung môi hữu cơ sau: - Làm sạch bằng dung môi Alknol amin - Làm sạch bằng dung môi vật lý và dung môi tổng hợp. 2, Phương pháp chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ Tiến hành chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ ở nhiệt độ thấp từ -25oC đến - 35oC áp suất cao 3,0 – 4,0 Mpa. Đây được coi là phương pháp có hiệu quả và kinh tế hơn cả để chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành. Khí đồng hành từ xí nghiệp khai thác dầu được nén bằng máy nén khí sau đó được làm lạnh và đưa vào thiết bị sấy khí để tách ẩm rồi được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt và Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 9 làm nguội sau đó khí được đưa đến thiết bị ngưng tụ nhiệt độ thấp. Tại đó, khí được nén và làm lạnh tới nhiệt độ âm cần thiết, sau đó hỗn hợp khí được đưa sang bộ phận tách khí, lúc này một phần hydrocacbon đã ngưng tụ được tách ra. Sau khi được nén và làm lạnh thì hỗn hợp khí bị tách ra thành hai phần: Phần ngưng tụ (gọi là condesat) của bậc nén và làm lạnh. Khí đồng hành được bơm từ thùng chứa qua bộ phận trao đổi nhiệt sang cột tách etan. Tại đó phân đoạn chứa metan và etan được tách ra. Sau đó benzin là phần ngưng tụ đã tách metan và etan qua thiết bị trao đổi nhiệt vào bình chứa, từ đó nó được đưa đi chế biến tiếp. Phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp để tách bezin từ khí đồng hành là phương pháp rất tốn kém, để thực hiện được cần có thiết bị làm lạnh phức tạp. Tuy nhiên do sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản, mà hiệu quả tách benzin ra khỏi hỗn hợp khí khá cao, triệt để nên phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế biến khí. 3, Chế biến khí bằng phương pháp hấp thụ Ngoài chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ thì người ta còn áp dụng phương pháp hấp thụ để chế biến khí. Phương pháp này dựa trên cơ sở của 2 quá trình chuyển khối cơ bản: hấp thụ và nhả hấp thụ. Bản chất vật lý của quá trình là sự cân bằng giữa dòng khí và dòng lỏng do sự khuếch tán chất từ pha này sang pha khác. Khi đạt cân bằng bền động lực, 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 riêng 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). Và ngược lại, nếu áp suất riêng phần của cấu tử bị tách ra trong pha khí nhỏ hơn trong pha lỏng thì xảy ra quá trình nhả hấp thụ (thoát khí ra khỏi chất lỏng). Đối với các tính toán thực tế, động lực của quá trình hấp thụ được biểu thị chính xác hơn không chỉ qua áp suất riêng phần mà còn qua nồng độ của các cấu tử tương ứng. Tại các nhà máy chế biến khí, quá trình hấp thụ và nhả hấp thụ được thực hiện trong các tháp hấp thụ và tháp nhả hấp thụ (tháp chưng luyện) có cấu tạo kiểu tháp đĩa hoặc tháp đệm, chất hấp thụ được dùng ở đây là các phân đoạn benzin, kerosen hoặc hỗn hợp của chúng. Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 10 4, Chế biến khí bằng phương pháp chưng cất Sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp được thực hiện quá trình tách các cấu từ định trước hiệu quả hơn sơ đồ hấp thụ nhiệt độ thấp (HNI) và thiết bị chế tạo cũng đơn giản hơn. Khác nhau về mặt nguyên lý giữa hai sơ đồ CNT và NTT là ở chỗ 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 tích riêng biệt khí nguyên liệu thành khí khô(thoát ra từ đỉnh tháp) và phân đoạn hydrocacbon nặng . Phụ thuộc vào sơ đồ nguyên lý của quá trình chưng cất nhiệt độ thấp, thiết bị cơ bản của sơ đồ là tháp chưng được chia thành chưng bốc hơi và tháp ngưng tụ – bốc hơi. Hình 1a: Sơ đồ tháp chưng bốc hơi 1. Thiết bị trao đổi nhiệt; 2. Tháp chưng bốc hơi; 3. Chu trình làm lạnh ngoài; 4. Thiết bị tách; I. Khí nguyên liệu; II. Khí đã tách benzin; III. Ống truyền nhiệt; IV. Hydrocacbon nặng; V. Hồi lưu Hình 1b: Sơ đồ tháp ngưng tụ - bốc hơi 1. Chu trình làm lạnh ngoài; 2. Tháp tách; 3. Tháp ngưng tụ bốc hơi; I. Khí nguyên liệu; ; II. Khí đã tách benzin; III. Ống truyền nhiệt; IV. Hydrocacbon nặng; V. Hồi lưu; VI. Sản phẩm đỉnh tháp Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 11 Với 3 sơ đồ công nghệ chế biến khí nói trên thì ta có một vài nhận xét sau: Từ những ưu nhược điểm và phạm vi công dụng của mỗi công nghệ thì phương pháp chế biến khí bằng NNT đem lại hiệu quả cao nhất. Phương pháp này phù hợp với điều kiện chế biến khí đồng hành với năng suất công nghệ là 5 triệu m3/ngày, hệ số tách cấu tử chính là =75% propan .Mặt khác với phương pháp này mang lại hiệu quả cao đặc biệt trong tình hình kinh tế của đất nước ta hiện nay thì đây là một công nghệ chế biến khí đơn giản, và khả thi nhất. III, Cơ sở hóa lý của quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp 1, Khái niệm về quá trình ngưng tụ Ngưng tụ là quá trình chuyển khí hoặc hơi sang trạng thái lỏng bằng cách làm lạnh khí hoặc nén làm lạnh khí đồng thời. Có hai phương pháp để tiến hành quá trình ngưng tụ : + Quá trình ngưng tụ gián tiếp: (hay còn gọi là ngưng tụ bề mặt ) tức là quá trình tiến hành trong thiết bị trao đổi nhiệt có tường ngăn cách giữa khí và tác nhân làm lạnh đi ngược chiều nhau . Tác nhân làm lạnh cho đi từ dưới lên để tránh dòng đối lưu tự nhiên cản trở quá trình chuyển động của lưu thể. Khí đi từ trên xuống để chất lỏng ngưng tụ chảy dọc xuống tự do và dễ dàng. + Quá trình ngưng tụ trực tiếp (hay còn gọi là ngưng tụ hỗn hợp). Quá ttrình này tiến hành bằng cách cho khí và tác nhân làm lạnh tiếp xúc trực tiếp với nhau. Tác nhân làm lạnh được phun trực tiếp vào trong khí sau đó ngưng tụ lại thành lỏng do vậy thiết bị ngưng tụ trực tiếp thường không đặt giá trị phân chia cao . Nên chất lỏng ngưng tụ sẽ trộn lẫn với tác nhân làm lạnh. 2, Đặc điểm của quá trình ngưng tụ Quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp có thể được coi là quá trình làm lạnh đẳng áp (nếu ta bỏ qua một vài tổn thất áp suất khi khí chuyển động trong ống và thiết bị công nghệ) cho tới nhiệt độ tương ứng và áp suất đó thì xuất hiện pha lỏng. Khí đồng hành và khí tự nhiên là một hỗn hợp bao gồm nhiều cấu từ do đó qúa trình chuyển pha và các vùng tới hạn của chúng khác nhau nhiều so với qúa trình tương ứng với điểm đó là nhiệt độ và áp suất tới hạn. Khi nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ tới hạn thì chất đó sẽ tồn tại ở trạng thái một pha. Khi đó dù có thay đổi của bất kì tổ hợp các Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 12 thông số nào thì cũng không thể đưa chất đó về trạng thái hai pha được vì vậy muốn hóa lỏng khí ta chỉ được phép tiến hành nhiêt độ tới hạn. Ví dụ : Nhiệt độ tới hạn của CH4 là Tc = 190,55K nhưng với nhiệt độ môi trường là Tmt = 298K thì Tc < Tmt. Do đó nếu nén khí ở nhiệt độ môi trường thì cho dù có tăng áp suất tới 500 atm thì CH 4 cũng không hóa lỏng, khi đó ta chỉ thu được khí CH4 nén. Vậy để hóa lỏng CH4 ta phải hạ nhiệt độ của CH4 xuống khoảng 111K (dưới nhiệt độ sôi của CH4 TsCH4 = 111,6 K với áp suất khí quyển . Điều này có nghĩa là quá trình hóa lỏng một phần hay toàn bộ khí bằng phương pháp nén chỉ thực hiện được khi hạ nhiệt độ khí đó xuống dưới nhiệt độ tới hạn. 3, Quá trình chuyển pha của khí đồng hành. 3.1 Quá trình chuyển pha đối với khí một cấu tử[4]. Quá trình chuyền pha đối với hệ khí một cấu tử ta có thể biểu diễn trên trục tọa độ P-T trong đó trục tung là áp suất và trục hoành là nhiệt độ. Hình 2: Giản đồ pha hệ một cấu tử Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 13 Đường HD, HC và 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 nằm 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 bớt năng lượng của hệ. Dọc theo đường FH không tồn tại pha lỏng, và pha rắn thăng hoa thành hơi. Điểm C là điểm tới hạn ứng với nhiệt độ tới hạn T c và áp suất tới hạn Pc thì tại đó các tính chất của pha lỏng và pha hơi trở thành đồng nhất. Đối với đơn chất điểm tới hạn được định nghĩa: là điểm mà phía trên nó pha lỏng không thể tồn tại như một pha độc lập. Hay nói cách khác phía trên điểm tới hạn khí không thể bị hóa lỏng bằng cách nén áp suất cao. Đường HC thường gọi là đường áp suất hơi hay đường cong điểm sương và đường cong điểm bọt của đơn chất. * Xét quá trình pha đẳng áp của hệ một cấu tử trên hình 3.1. Từ”m”>”n”hệ ở trạng thái rắn. Từ “o” đến “b”: hệ ở trạng thái lỏng, tại “b” hệ ở trạng thái lỏng bão hòa. Bất kỳ sự cung cấp năng lượng nào cũng làm cho lỏng hóa thành hơi ở nhiệt độ và áp suất không đổi. Tại “d”: hệ ở trạng thái hơi bão hòa, tiếp tục tăng nhiệt độ sẽ nhận được hơi qúa nhiệt . 3.2 Giản đồ pha hệ nhiều cấu tử Đối với hệ nhiều cấu tử, vị trí của các đường cong trên giản đồ pha phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp và các đường bao pha tạo thành không phải là một mặt phẳng, mà có chiều dày như hình cái lưỡi với thành phần là biến số phản ánh chiều dày của đường bao pha. Trên hình 3.2a thể hiện giản đồ pha hệ nhiều cấu tử trong đó trục tung là áp suất và trục hoành là nhiệt độ. Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 14 Hình 3: Giản đồ pha hệ nhiều cấu tử * Điểm C là điểm tới hạn, tại đó hai pha trở thành một pha. * Điểm M là điểm tương ứng với áp suất lớn nhất mà tại đó hỗn hợp nhiều cấu tử tồn tại ở trạng thái hai pha. * Điểm N: là điểm tương ứng với áp suất lớn nhất mà tại đố hỗn hợp nhiều cấu tử tồn tại ở trạng thái hai pha. Bên trái đường cong điểm bọt hệ tồn tại ở trạng thái lỏng khi bắt đầu chạm tới đường cong điểm bọt thì hệ khí bắt đầu xuất hiện những bọt khí. Khi sang đường cong điểm sương thì toàn bộ hỗn hợp khí trở thành hơi từ đường cong điểm bọt và đường cong điểm sương là miền mà tồn tại cân bằng giữa hai pha lỏng và hơi. + Đường ABDE: biểu diễn quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt suy biến điển hình trong các mỏ khí condensate. Điểm A biểu diễn pha lỏng chặt nằm bên ngoài đường bao pha khi giảm áp suất tới điểm B bắt đầu quá trình ngưng tụ. Tiếp tục giảm áp suất lượng lỏng hình thành nhiều hơn từ điểm “A” đến “D” nằm trong miền suy biến được tạo bởi các điểm thay đổi độ dốc của các đường pha. + Khi tiếp tục giảm áp suất ra khỏi miền suy biến đi từ D tới E thì lượng lỏng giảm dần cho tới khi đạt điểm sương (E) phía dưới điểm E hệ không tồn tại ở trạng thái lỏng chỉ tồn tại ở trạng thái hơi. Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 15 Điểm tới hạn C của hỗn hợp khí hydrocacbon luôn luôn ở phía bên trái của điểm M và vị trí mà là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến sự thay đổi hướng của các đường lỏng hơi bên trong đường bao pha. Điểm tới hạn C có thể nằm bên phải điểm N thể hiện như hình dưới đây. Hình 4a: Ảnh hưởng của thành phần đến đường bao pha của hệ metan - propan Hình 4b: Vị trí quỹ tích tới hạn của một số hệ bậc 2 Trên hình 3.2b là giản đồ của hệ bậc hai metan-propan cho thấy ảnh hưởng của thành phần đến hình dáng vị trí của đường bao pha thì đường cong ngoài cùng là các đường áp suất hơi của metan - propan bắt đầu từ điểm tới hạn ba đường bao pha còn lại là của ba hỗn hợp có tỷ lệ thành phần metan - propan khác nhau được gọi là quỹ tích tới hạn . Như vậy vị trí tới hạn trên mỗi đường bao pha thay đổi theo thành phần của hỗn hợp các hydrocacbon. Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 16 Ngoài ra các tạp chất như phi hydrocacbon như: H2O, CO2, H2S, N2 cũng có những ảnh hưởng đáng kể đến đường bao pha của hỗn hợp khí trong điều kiện nhiệt độ cao và áp suất thấp . - H2S, CO2 làm giảm điểm áp suất cực đại tồn tại lỏng hơi của hỗn hợp khí. - N2: Làm tăng điểm áp suất cực trị, tồn tại lỏng hơi hỗn hợp khí và giảm khả năng trộn lẫn. 4, Hằng số cân bằng pha[1]. Cân bằng pha của hỗn hợp khí không phải là trạng thái tĩnh mà là cân bằng động, vẫn luôn tồn tại sự chuyển đồng của các phân tử từ pha lỏng sang pha hơi và ngược lại, tốc độ bay và tốc độ ngưng tụ là bằng nhau. Đại lượng đặc trưng cho sự phân bố của các cấu tử giữa các pha ở điều kiện cân bằng là hằng số cân bằng pha K được xác định bằng phương trình : i i i y k x  Trong đó : iy : là phần mol của cấu tử i trong pha hơi. ix : là phần mol của cấu tử i trong pha lỏng. Để xác định hằng số cân bằng pha của hệ nhiều cấu tử có nhiều cấu tử có các phương pháp sau. - Phương pháp giải tích: sử dụng các phương trình trạng thái khác nhau, tính toán hệ số fugat và hoạt độ của cấu tử, để từ đó xác định hằng số cân bằng pha. - Phương pháp giản đồ: là các giản đồ thể hiện các giá trị của K tại áp suất và nhiệt độ xác định của từng chất. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ xác định, sai số từ 5 – 10%. Phổ biến nhất hiện nay là sử dụng các giản đồ NGPA và Neyrey. 5, Phương pháp tính thành phần lỏng hơi[1] Xét phương trình cân bằng vật liệu toàn hệ : F= V + L Với một cấu tử bất kì: F.Ci = V. iy + L. i x Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 17 Trong đó Ci : là phần mol của cấu tử i trong nguyên liệu vào tháp tách. iy : là phần mol cấu tử i trong pha hơi. ix : là phần mol cấu tử i trong pha lỏng. Ki: hằng số cân bằng pha lỏng – hơi . F : là tổng số mol nguyên liệu. V: là tổng số mol hơi. L: là tổng số mol lỏng . Giả sử F = 1. ta có Ci = V.yi + L.xi Đồng thời, theo định nghĩa hằng số cân bằng pha yi = K.xi, ta có . i i i C x L V K   ; ( / ) i i i C y V L K   Tổng phần mol các cấu tử phải bằng 1, do đó . i i i C x L V K     ; ( / ) i i i C y V L K     Bằng phương pháp lặp, chọn các giá trị L và K sao cho các biểu thức trên là đúng. Mặt khác, có thể viết ∑yi - ∑xi = 0 ( 1) 0 ( 1) 1 i i i i i C K y x V K          Biểu thức trên là biểu thức tổng quá thường được sử dụng trong lập trình tính toán trên máy tính. 6, Quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp trong chế biến khí đồng hành Trong hỗn hợp khí đồng hành có thành phần các hydrocacbon khác nhau như:CH4, C2H6Do vậy tương ứng sẽ có các nhiệt độ ngưng tụ khác nhau, do đó quá trình làm lạnh sẽ xảy ra như sau: Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 18 + Khi giảm nhiệt độ của hỗn hợp khí thì đến một lúc nào đó của hỗn hợp khí sẽ bắt đầu ngưng tụ(tương ứng với áp suất riêng phần trong hỗn hợp khí) lớn nhất. Nếu như các cấu tử được phân bố đều trong hỗn hợp ban đầu. Thì các cấu tử có nhiệt độ ngưng tụ lớn nhất sẽ ngưng tụ đầu tiên. Khí hydrocacbon có đăc điểm quan trọng là: chúng hòa tan trong các hydrocacbon lỏng, do đó khi chuyển sang pha lỏng không chỉ có các cấu tử khác có nhiệt độ tới hạn thấp hơn cả nhiệt độ của hỗn hợp tại thời điểm đó. Ví dụ: Hỗn hợp có 10% mol CH 4 có 90%mol C6H14 trong ống dẫn khí có thể ngưng tụ hoàn toàn khi làm lạnh đến 10oC với P = 2MPa. Mặc dù nhiệt độ tới hạn của CH4 là Tc = - 82,6oC. Nhưng khi có mặt propan nó vẫn chuyển sang pha khí. Trong quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp, quá trình làm lạnh khí chỉ diễn ra tới khi đạt được mức độ ngưng tụ định mức của pha hơi (trong hỗn hợp khí ban đầu) được xác định bằng mức độ tách cần thiết các cấu tử chủ yếu ra khỏi hỗn hợp . Điều này đạt được nhờ nhiệt độ làm lạnh cuối cùng hoàn toàn xác định ( tức phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp, áp suất của hệ). Nhiệt độ này tạo được bằng cách cung cấp cho quá trình một lượng nhiệt lạnh cần thiết. -Cùng một mức độ ngưng tụ (của hỗn hợp khí ban đầu) có thể đạt được bằng những tổ hợp các giá trị nhiệt độ và áp suất khác nhau . Khi tăng áp suất trong hệ tức là tăng áp suất riêng phần của từng cấu tử, mức độ ngưng tụ nhiệt độ không đổi sẽ tăng lên và quá trình này cũng sẽ xảy ra tương tự làm lạnh đẳng áp . - Mức độ ngưng tụ các hydrocacbon khi tiến hành trong quá trình đẳng áp và trong quá trình đẳng nhiệt. Tuy nhiên, qúa trình ngưng tụ của hai trường hợp này lại khác nhau. Cụ thể trường hợp đẳng nhiệt thì mức độ ngưng tụ tăng nhưng sự phân tách các cấu tử hydrocacbon kém. Ngược lại đối với quá trình đẳng áp. Vậy: Việc lựa chọn các thông số tối ưu cho quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp phụ thuộc vào thành phần ban đầu của hỗn hợp khí nguyên liệu, mức độ phân tích cấu tử chính định trước là rất quan trọng. Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 19 IV, Tổng quan về các công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp 1. Phân loại các sơ đồ công nghệ. Để chế biến khí theo phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp (NNT) có rất nhiều sơ đồ công nghệ khác nhau. Và ta có thể phân chia chúng dựa vào một số đặc điểm sau đây: - Theo số loại phân ly cơ bản - Theo loại nguồn nhiệt lạnh - Theo loại sản phẩm cuối. Theo đó ta có sơ đồ phân loại công nghệ chế biến khí sau đây: Theo mỗi kiểu phân chia thì ta có các sơ đồ tiêu biểu sau: + Sơ đồ NNT một bậc + Sơ đồ NNT có tách sơ bộ etan + Sơ đồ NNT có chu trình làm lạnh dùng tác nhân lạnh hỗn hợp + Sơ đồ NNT một bậc có chu trình làm lạnh ngoài bằng propan và etan để nhận C≥2 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 20 + Sơ đồ NNT hai bậc có chu trình làm lạnh ngoài bằng propan và etan để nhận C≥2 + Sơ đồ NNT 3 giai đoạn + Sơ đồ nhà máy chế biến khí sử dụng tubin giãn nở khí + Sơ đồ NNT hai bậc có tuabin giãn nở khí, tiết lưu dòng chất lỏng để nhận C≥3. + Sơ đồ NNT một bậc để nhận C≥3có chu trình làm lạnh tổ hợp. + Sơ đồ NNT hai bậc để nhận C≥3 có chu trình làm lạnh tổ hợp (làm lạnh ngoài bằng propan và tiết lưu dòng chất lỏng). + Sơ đồ NNT hai bậc để nhận C≥3 có chu trình làm lạnh tổ hợp (làm lạnh ngoài bằng propan, tiết lưu dòng chất lỏng và tuabin giãn nở khí). + Sơ đồ NNT ba bậc để nhận C≥3 có chu trình làm lạnh tổ hợp. 2. Phân tích lựa chọn công nghệ[1] Trong công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp.Dựa vạo số bậc tách, kiểu nguồn lạnh và cách đưa sản phẩm ra thì ta có các sơ đồ công nghệ chế biến khí khác nhau. Theo đó mỗi một loại công nghệ ta đều có những ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng khác nhau. Để hiểu hơn ta đi xét một số sơ đồ công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp. 2.1, Sơ đồ NNT một bậc để nhận C>3 có chu trình làm lạnh bằng propan và tách sơ bộ etan. Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 21 * Nguyên tắc hoạt động: Theo sơ đồ thì khí được chế biến như sau: trước khi chế biến, khí nguyên liệu được đưa vào bộ phận tách khí sơ bộ, tại đây nó được làm lạnh khỏi các tạp chất cơ học và các chất lỏng dạng hạt( dầu, nước, chất lỏng ngưng tụ) Sau khi được làm sạch sơ bộ, khí được đưa vào máy nén (1), tại đây khí được nén tới áp suất 3,0 - 4,0 Mpa và cao hơn. khí nén đi qua thiết bị làm mát bằng không khí (2), được làm mát tới nhiệt độ -200C -350C lần lượt trong các thiết bị trao đổi nhiệt (3), (4) và (5) do dòng lạnh của khí khô và chất lỏng ngưng tụ từ tháp phân tách (7) và (8), ở đó hydroacbon đã ngưng tụ được tách ra. Từ đỉnh tháp (7) khí khô thoát ra, sau khi truyền lạnh ở bộ phận trao đổi nhiệt (4) được đưa vào đường ống dẫn khí chính. Phần ngưng tụ từ bộ phạn phân tách (7) được bơm đến bộ phận trao đổi nhiệt (5), tại đây nó được nâng nhiệt độ lên do dòng khí nhiên liệu vào. Sau đó chất lỏng ngưng tụ Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 22 lại được đưa vào tháp tách (8), ở đó bơm luôn giữ áp suất cao cho pha hơi lấy ra từ đỉnh tháp tách này để trộn với dòng khí nguyên liệu trước khi vào bộ phận bay hơi propan (6) để ngưng tụ. Còn phần lỏng tách ra ở đáy tháp đi qua thiết bị trao đổi nhiệt (4) và được đưa vào phần giữa của tháp (9). Do quá trình đốt nóng sơ bộ condensat ở trong tháp tách (9), một phần các cấu tử dễ bay hơi ( chủ yếu là C1,C2 và một ít C3) được bay hơi lên đỉnh tháp (9) gồm có hỗn hợp metan, etan, propan được trộn lẫn với khí khô đưa vào đường ống dẫn khí chính. Sản phẩm đáy tháp chính là phân đoạn chứa hỗn hợp propan và hydrocacbon nặng. Như vậy nguyên liệu đưa vào tháp tách etan (9) đã được tăng tỷ trọng và với lợng ít hơn so với sơ đồ NNT một bậc. Điều đó cho phép tăng nhiệt độ đỉnh tháp (9) và giảm tác nhân làm lạnh cần thiết cho quá trình, cũng như làm giảm nhiệt cần để bay hơi các cấu tử dễ bay hơi ở các tháp tách (7),(8). Mặt khác phải cần tăng tác nhân để làm lạnh khí nguyên liệu trước khi vào tháp (7) do cần phải làm lạnh cả khí làm lạnh lấy ra từ đỉnh tháp tách etan (9), kết quả là về mặt năng lượng tổng cộng vẫn có lợi. Lượng tác nhân lạnh cần thiết để ngưng tụ trước khi vào tháo tách (7) và ngưng tụ trên tháp tách etan (9) cũng như lượng nhiệt cần cung cấp cho đáy tháp etan (9), khi chế biến khí đồng hành có thành phần xác định phụ thuộc vào nhiệt độ cần thiết của condensat trong bộ phận trao đổi nhiệt (5). Vì vậy khi tính toán sơ đồ NNT có tách sơ bộ etan cần phải tìm tối ưu của condensat trong tháp tách (8), phụ thuộc thành phần nguyên liệu vào và các thông số của quá trình. * Ưu điểm: - Lấy được nhiệt từ nguyên liệu đưa vào. - Tăng hiệu quả của chu trình lạnh và pha lỏng so với chu trình không tách sơ bộ etan do có tỷ trọng lớn hơn (vì ít cấu tử nhẹ). - Tháp tách etan có thể làm việc ở nhiệt độ cao hơn do vậy tiết kiệm được nhiên liệu làm lạnh. * Nhược điểm: - Vốn đầu tư lớn và thiết kế phức tạp hơn chu trình không tách sơ bộ etan do có thêm tháp tách. Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 23 2.2, Sơ đồ NNT ba bậc để nhận C≥3 với chu trình làm lạnh bằng propan * Nguyên tắc hoạt động: Với sơ đồ ba bậc có chu trình làm lạnh ngoài bằng propan; trong đó propan được bay hơi trên mỗi bậc theo các đường đẳng nhiệt khác nhau. Ở bậc ngưng tụ thứ nhất, khí đưa vào được làm lạnh đến nhiệt độ trung gian nào đó cao hơn nhiệt độ ở bậc ngưng tụ tiếp theo. Sau đó hỗn hợp hai pha tạo thành được tách riêng pha lỏng và pha hơi. Pha hơi đưa vào ngưng tụ nhiệt độ thấp ở bậc thứ hai . ở đây khí được làm lạnh thấp hơn bậc đầu tiên nhưng cao hơn nhiệt độ ngưng tụ ở bậc thứ ba.Sau đó pha lỏng và pha hơi lần nữa lại được tách riêng. Pha hơi đưa vào ngưng tụ nhiệt độ thấp ở bậc thứ ba, ở đó hơi ngưng tụ đến nhiệt độ đã chọn và trở thành hai pha lỏng và hơi. Pha lỏng tách ra sau mỗi bậc ngưng tụ được đưa vào tháp tách etan. Sơ đồ NNT một bậc và nhiều bậc có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Với quá trình ngưng tụ một bậc, lượng lỏng tạo ra nhiều hơn so với nhiều bậc. Tuy nhiên trong phần lỏng của ngưng tụ một bậc chứa nhiều cấu tử nhẹ, tức là độ chọn lọc của quá trình Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 24 ngưng tụ một bậc thấp hơn. Điều đó dẫn đến tăng lượng nhiệt mất mát do các sản phẩm nhẹ metan và etan. Tuy nhiên với sơ đồ nhiều bậc vốn, kinh phí bỏ ra nhiều. * Ưu điểm công nghệ: do công nghệ sử dụng chu trình làm lạnh ngoài nên thiết bị đơn giản, vốn đầu tư ít, dễ dàng triển khai. * Nhược điểm công nghệ: công nghệ này có độ chọn lọc không cao do năng lượng tiêu tốn nhiều để ngưng tụ các cấu tử nhẹ dễ sôi, để khắc phục nhược điểm này ta có các công nghệ NNT có chu trình làm lạnh ngoài nhiều bậc cho độ phân chia cao. * Phạm vi ứng dụng của sơ đồ công nghệ: công nghệ này ứng dụng đối với hỗn hợp khí có độ phân tách các cấu tử chính không lớn,năng suất công nghệ cao. 2.3, Sơ đồ NNT hai bậc để tách C≥3 có tuabin giãn nở khí, tiết lưu dòng chất lỏng Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 25 * Nguyên tắc hoạt động: Khí có áp suất 5,2 MPa vào tháp tách 1, tại đây những giọt chất lỏng được tách ra khỏi khí . Sau khi ra khỏi tháp tách, khí vừa được làm lạnh sẽ được dẫn đến tháp tách 5. Trước khi vào các thiết bị trao đổi nhiệt, người ta bơm metanol vào khí. Trong tháp tách 3 pha 5, metanol bão hòa các hydrocacbon ngưng tụ và khí được tách riêng. Dung dịch metanol trong nước được tái sinh trong tháp 7 các hydrocacbon ngưng tụ được đưa từ tháp tách 5 vào bộ phận thổi gió 8 ở đây áp suất giảm xuống 1,8 MPa, nhiệt độ condensat giảm xuống -84oC. Khí tạo thành nhờ sự tiết lưu này từ tháp 8 được dẫn vào đường ống dẫn khí khô, còn condensate qua thiết bị trao đổi nhiệt vào phần giữa của tháp tách etan 10, giảm đến 1,8 MPa, sau đó được dẫn vào tháp tách 9 ở trên đỉnh của tháp 10. Khí từ tháp 9 sau khi truyền nhiệt ở 3 va 4 được máy nén đến áp suất 2,1 MPa, máy nén nối với một trục của tuabin 6, phân đoạn chứa các hydrocacbon nặng được tháo ra từ đáy tháp tách etan 10 . * Ưu điểm công nghệ: - Ở công nghệ này chỉ có một nguồn lạnh duy nhất là tuabin giãn nở khí. Điều này đảm bảo tách triệt để hơn các cấu tử theo yêu cầu định trước như: etan, propan hay hydrocacbon nặng . - Ngoài ra việc sử dụng tuabin giãn nở : có khả năng tự động hóa hoàn toàn có thể xây dung sơ đồ chế biến khí thích hợp cho những mỏ khai thác khác nhau. Do vậy giảm nhẹ được khối lượng công việc xây lắp trực tiếp hệ thống thiết bị . Với công nghệ này thì tổng hợp được các ưu điểm của hai quá trình công nghệ đó là: NNT có chu trình làm lạnh ngoại nhiều làm lạnh tổ hợp cụ thể : công nghệ có chu trình làm lạnh trong vừa cho độ phân tách cao và cho phép làm việc ở nhiệt độ làm lạnh sâu. * Nhược điểm: Thiết bị công nghệ với chu trình làm lạnh trong thường cồng kềnh, phức tạp, vốn đầu tư lớn. * Phạm vi ứng dụng: áp dụng đối với hỗn hợp khí có thành phần C≥3 không quá 70 – 75 g/m3. Với hệ số tách cấu tử chính là 85% propan và hầu hết các cấu tử cacbon nặng. Khí khô sau khi chế biến được đưa thẳng đi tiêu thụ với áp suất 2,1MPa. Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 26 2.4, Sơ đồ NNT hai bậc để nhận C≥3 có chu trình làm lạnh tổ hợp (chu trình làm lạnh ngoài bằng propan, tiết lưu dòng chất lỏng và tuabin giãn nở khí) *Nguyên tắc hoạt động: Khi nguyên liệu được nén đến 4,0MPa sau khi đã làm sạch khỏi CO2và sấy bằng chất hấp phụ rắn, được đưa vào công đoạn ngưng tụ nhiệt độ thấp . Một phần khí đi vào các thiết bị bay hơi 1,3,5 và các thiết bị trao đổi nhiệt 2,4 tại đây khí được làm lạnh đến -30oC, được trộn lẫn với một phần khí đã được làm lạnh đến -30oC nhiệt độ đó bằng condensate từ tháp tách 10. Condensat từ tháp tách 10 được tiết lưu đến áp suất 1,7 MPa và sau khi truyền lạnh có nhiệt độ 20oC được dẫn tới tháp tách etan 16. Từ tháp tách 10 khí sau khi được làm lạnh bởi khí khô đi ra từ đỉnh tháp tách etan 16 đạt nhiệt độ -51oC được dẫn vào tháp tách nhiệt độ thấp 11, tại đây khí được tách ra khỏi condensate và có nhiệt độ thấp 11 được dẫn qua van tiết lưu 15, áp suất của khí giảm Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 27 đến 18MPa, khi đó một phần khí bị ngưng tụ, đựơc làm lạnh đến -78oC. Khí cùng với condensate từ tuabin 13 được dẫn đến phần trên của tháp tách etan 16. * Phạm vi ứng dụng của sơ đồ công nghệ: Với việc sử dụng tuabin làm lạnh trong sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ tháp để chế biến khí và thu được sản phẩm có phân đoạn từ C≥3 trở lên .Với hàm lượng C≥3 trong khí đồng hành 300g/m 3và hệ số tách cấu tử chính 90% propan Vậy : Nhìn chung sau khi phân tích ưu nhược điểm, phạm vi ứng dụng của các sơ đồ công nghệ. Ta thấy rằng để chế biến đồng hành với năng suất công nghệ lớn, độ phân tách các cấu tử chính không cao vào khoảng 75% cấu tử chính là propan, thì ta lựa chọn công nghệ NNT với chu trình làm lạnh ngoài tác nhân làm lạnh propan có tháp tách sơ bộ etan là tối ưu nhất, vì công nghệ của thiết bị đơn giản, công nghệ áp dụng rộng rãi, vừa khắc phục được nhược điểm của công nghệ cuả thiết bị không có tách sơ bộ etan. Quá trình này được coi là phương pháp có hiệu quả kinh tế hiệu quả hơn cả để chế biến KTN và KĐH. 3. Các thiết bị chính có trong qúa trình chế biến bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp. Nhìn chung các thiết bị trong quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp một bậc có tách sơ bộ etan rất đa dạng và phong phú. Tùy theo sản lượng, thành phần khí và mức độ yêu cầu ta có các thiết bị khác nhau. Ta có các cụm thiết bị chính như sau: 3.1. Thiết bị nén khí Trong sơ đồ công nghệ nêu trên, có 2 thiết bị nén khí: máy nén khí dòng nguyên liệu vào và máy nén propan trong chu trình lạnh. Thiết bị này thường dùng là máy nén pittông hoặc máy nén ly tâm. + Máy nén pittông: được sử dụng nhiều trong công nghiệp với quy mô vừa và nhỏ. Do nó cho phép áp suất vào và ra khá linh động, tỉ số nén cao và giá thành thấp khi năng suất thấp. + Máy nén ly tâm: được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa học. Nó có ưu điểm so với máy nén pittông là: năng suất lớn, cấu tạo đơn giản, chi phí bảo dưỡng thấp. Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 28 Trong sơ đồ công nghệ trên, áp suất nguyên liệu cần nén tới 3,0 – 4,0 Mpa, công suất thiết bị lớn, theo đồ thị 13-3 [6], ta nên dùng máy nén ly tâm nhiều cấp. 3.2, Thiết bị phân tách lỏng – hơi[6] Thiết bị này có nhiệm vụ phân tách lỏng – hơi sau khi ngưng tụ nguyên liệu vào. Hoạt động của thiết bị dựa vào trọng lực, chất lỏng có khối lượng riêng lớn hơn lắng xuống đáy thiết bị, hơi nhẹ hơn đi lên trên. Tuy nhiên, trong quá trình hơi tách ra khỏi lỏng, hơi cuốn theo những giọt lỏng có kích thước nhỏ tạo thành sương mù mà không thể tách bằng trọng lực. Trong quá trình đi lên, những hạt này kết hợp lại thành những hạt lớn hơn và có thể lắng xuống dưới tác dụng trọng lực. Dựa vào hình dạng và chế độ mà ngươi ta phân loại thiết bị thành dạng nằm đứng và dạng nằm ngang. Cấu tạo của thiết tách gồm 4 phần cơ bản sau. Đầu vào A, có tác dụng giảm tốc độ dòng chảy, phân tách sơ bộ lỏng – hơi. Phần tách khí B được thiết kế để dùng trọng lực tách các giọt lỏng bị lôi cuốn theo. Nó là vùng không gian trống mà khí di chuyển với vận tốc thấp, trong thiết bị nằm ngang, còn lắp thêm các cánh quạt thẳng để giảm sự rối loạn và chiều dài của thiết bị. Vùng tách lỏng C có nhiệm vụ thu hồi các giọt lỏng rơi xuống, Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 29 đồng thời cung cấp thời gian lưu đủ lớn để tách hơi. Phần tách sương D sử dụng các tấm lưới, hệ thống cánh quạt hoặc các cyclone. Nó có tác dụng loại bỏ những hạt lỏng có kích thước nhỏ, có thể đến 3 micromet. Để lựa chọn loại thiết bị không có quy tắc cụ thể nào. Thông thường ta dùng chỉ tiêu kinh tế để lựa chọn.Các ứng dụng, và so sánh được thể hiện dưới đây: Nằm ngang Thẳng đứng Phạm vi ứng dụng - Thể tích hỗn hợp vào lớn. - Tỉ lệ hơi/lỏng không quá cao. - Lưu lượng dòng vào nhỏ. - Tỉ lệ hơi/lỏng cao. - Không gian lắp đặt bị hạn chế. Ưu điểm - Đường kính nhỏ hơn khi cùng lượng khí so với dạng thẳng đứng. - Bề mặt bay hơi lớn. - Dòng khí không cản trở sự thoát nước của phần tách sương - Việc kiểm soát mức chất lỏng không quá quan trọng. - Có đủ không gian thoát khí ở trên và lỏng ở dưới. - Chiếm ít diện tích. Nhược điểm - Chỉ có một phần không gian nhỏ để thoát khí. - Chiếm nhiều diện tích. - Điều khiển mức chất lỏng đặc biệt quan trọng. - Đường kính lớn hơn so với thiết bị nằm ngang. - Khó khăn trong lắp các thiết bị kiểm tra, an toàn. 3.3, Tháp tách etan Tháp tách etan thực tế là một tháp chưng cất. Sản phẩm đỉnh tháp là hỗn hợp gồm metan (20 – 70% thể tích), etan (30 – 75% thể tích), propan (không quá 5% thể tích). Áp suất làm việc của tháp từ 3,0 – 3,5 Mpa. Việc duy trì áp suất cao không yêu cầu tiêu tốn thêm năng lượng do áp suất của phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp vào khoảng 4,0 Mpa. Áp suất cao hơn không có lợi do khó khăn trong việc tách khí. Ở điều kiện áp suất đó, nhiệt độ đỉnh tháp từ -30 đến 0oC, nhiệt độ đáy tháp từ 90 đến 120oC. Có 2 loại tháp chưng phổ biến là tháp đệm và tháp đĩa. Tháp đĩa có nhiều dạng như: đĩa lỗ, van, đĩa chóp. Đĩa lỗ và van được dùng phổ biến hơn dạng chóp do có hiệu Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 30 suất cao, khoảng vận hành rộng, chi phí thấp và dễ bảo trì. Tháp đệm cũng có nhiều loại, được chia thành: đệm đổ lộn xộn và đệm cấu trúc. Đệm đổ lộn xộn thường dùng trong các tháp loại nhỏ, trong khi đệm cấu trúc được sử dụng trong các cột lớn hơn. * Tháp đệm Các đệm trong tháp là các vòng bằng gốm: Để bề mặt tiếp xúc phía trong vòng gốm người ta làm các tấm chắn, người ta xếp đệm trên các đĩa có hai loại lỗ khác nhau. Các lỗ nhỏ (phía dưới) để chất lỏng đi qua và lỗ lớn (phía trên) để cho hơi đi qua. Nhược điểm của loại đĩa này là: tiếp xúc giữa pha hơi và pha lỏng không tốt. Nhưng khi dùng tháp có đường kính nhỏ hơn 1 m, thì hiệu quả của tháp này không kém tháp đĩa chóp, vì vậy chúng thường dùng để chưng luyện gián đoạn với công suất thiết bị không lớn Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 31 * Tháp chóp Tháp chóp có các đĩa kim loại mà trong đó có cấu tạo nhiều lỗ để cho hơi đi qua. Theo chu vi các lỗ người ta bố trí trong nhánh có độ cao xác định gọi là cốc, nhờ có ống nhánh này giữ mức chất lỏng xác định. Phía trên các ống nhánh là các chụp. Khoảng giữa ống nối và chụp có vùng không gian cho hơi đi qua, đi từ đĩa dưới lên đĩa trên. * Tháp đĩa lỗ Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 32 Lớp chất lỏng một có chiều cao khoảng 25  30mm. Giữ ở trên các đĩa, hơi qua các lỗ sàng 2, và làm sủi bọt qua lớp chất lỏng, lớp chất lỏng trên đĩa mà dư thì chảy tho ống chảy chuyền 3 xuống dưới. Loại đĩa này yêu cầu chế độ không đổi, vì rằng như khi giảm hiệu suất thiết bị sẽ làm giảm sự gặp nhau giữa dòng hơi và dòng lỏng, dò hết xuống, làm cho đĩa trở ra, khi tăng công suất thì làm tăng dòng hơi gặp nhau, và lượng lớn hơi, cấu tử nặng đi ra khỏi chất lỏng làm phá vỡ cân bằng trong tháp và làm giảm sự phân chia trong tháp. Trước đây, các tháp chưng trong nhà máy chế biến khí thường sử dụng tháp đĩa, tuy nhiên gần đây tháp đệm cấu trúc lại được dùng phổ biến hơn. Ưu điểm của tháp đệm là độ giảm áp nhỏ (17 – 50 mmH2O trên 1m đệm) và năng suất hơn (trên 1m đường kính) khi tỉ lệ lỏng/hơi cao. Ngoài ra, kích thước tháp đệm cũng nhỏ hơn nên chi phí ban đầu thấp. Nhược điểm của tháp đệm là dễ tắc khi có lẫn bui bẩn và phân bố lỏng không đều khi đường kính tháp lớn. Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 33 TÍNH TOÁN I, Mô phỏng công nghệ bằng phần mềm HYSYS Chọn nguyên liệu là khí đồng từ mỏ Rồng. Với thông số ban đầu như sau: Năng suất: 4,5 triệu m3/ngày Áp suất: 160bar Nhiệt độ: 30oC Bảng 1. Thành phần và các thông số của hỗn hợp khí Cấu tử Metan C1 Etan C2 Propan C3 Butan C4 Condensat C5+ Phần mol 0,7654 0,0689 0,0825 0,0578 0,0254 1. Xây dựng cơ sở mô phỏng Nhập các thông tin trong giao diện Simulation Basic Manager Property Package Peng-Robinson Components CH4, Ethane, Propane, n-Butane Thiết lập cấu tử giả C5+ với các thông số sau: Molecular weight 86,18 Normal Boiling Pt (C) 68,75 2. Xây dựng lưu trình chính - Thiết lập dòng Nguyên liệu với thông tin sau; Name Nguyen lieu Temperature 30 oC Pressure 160 bar Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 34 Molar Flow 4.5e6 m3/_d(gas) Component Mole Fraction Metan C1 0,7654 Etan C2 0,0689 Propan C3 0,0825 Butan C4 0,0578 C5+ 0,0254 Hình 5: Mô phỏng quá trình chế biến khí bằng ngưng tụ nhiệt độ thấp có tháp tách sơ bộ etan Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 35 Dòng Nguyên liệu trước khi vào chế biến được đưa qua thiết bị tách nước, áp suất dòng khí giảm xuống còn khoảng 1MPa. Độ giảm áp tại Tach nuoc và VLV-100 lần lượt là 1bar và 149bar. Dòng khí sau trước khi vào Máy nén 1 có nhiệt độ 40oC, được nén tới áp suất 4MPa. Sau đó nó được làm mát trong thiết bị Làm mát bằng kk 2, nhiệt độ vào của không khí là 25oC, áp suất 1atm, dòng nguyên liệu được hạ nhiệt độ xuống còn 45oC. Dòng khí được chia ra thành 2 dòng 3 và 4 bởi thiết bị TEE-100 với tỉ lệ Flow Ratios là 0.5. Dòng 3 đi qua thiết bị TDN 3, dòng 4 lần lượt đi các thiết bị TDN 4 và TDN 5, độ giảm áp tại mỗi thiết bị trao đổi nhiệt Delta P là 1bar. Dòng khí 6 ra khỏi MIX-100 đạt nhiệt độ 15oC được làm lạnh bởi TDN 6 xuống nhiệt độ -30oC trước khi vào thiết bị tách 2 pha. Tại Thap tach 7, dòng khí thoát ra ở đỉnh tháp đượ điều chỉnh giảm áp xuống còn 3,1MPa, sản phẩm ngưng tụ lỏng 7 thoát ra ở đáy tháp và được vận chuyển bởi bơm 7. Mức chất lỏng trong tháp 7 được điều chỉnh bởi van VLV-101, Delta P của bơm và van lần lượt là 2bar và 1,5bar. Dòng lỏng đi qua thiết bị TDN 5 được nâng lên đến 0oC (áp suất tổn thất là 1bar) trước khi vào Thap tach 8 để tách sơ bộ etan. Các cấu tử dễ bay hơi thoát ra ở đỉnh tháp và được nén lên khoảng 3,9MPa trước khi trộn với dòng nguyên liệu vào TDN 6. Để tuần hoàn dòng khí thì phải cho qua công cụ Recycle trong HYSYS. Sản phẩm lỏng lần lượt qua các bơm, van (có thông số giống thiết bị ở đáy tháp 7). Dòng lỏng qua thiết bị TDN 4 nâng nhiệt độ lên đến 20oC trước khi vào Tháp tách etan 9. * Thiết lập tháp tách etan 9 Sử dụng Shortcut collum thiết lập thông số cơ bản cho tháp tách. Thiết lập dòng 1 lấy thông số từ dòng Vao thap 9. Connections Top Product Phase Vapour Inlet 1 Overhead Vapour Sp dinh Bottoms Sp day Condenser Duty Cond Q Reboiler Duty Reb Q Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 36 Parameters Light Key in Bottoms Ethane 0,01 Heavy Key in Distillate Propane 0,01 Condenser Pressure 3,1 MPa Reboiler Pressure 3,5 MPa External Reflux Ratio 1,2 Từ các dữ kiện trên, ta được các thông số của tháp tách etan như sau: Số đĩa thực tế 19 Vị trí đĩa nạp liệu 11 Lưu lượng sản phẩm đáy 1110 kgmole/h Nhập thông tin cho Tháp tách etan 9 Connections Name Tháp tách ean 9 No. of Stage 19 Feed Stream Vao thap Inlet Stage 11 Condenser Type Full Reflux Ovhd Vapour hoi thap 9 Bottom Product C3+ Reboiler Duty Q dun soi Condenser Duty Q lanh 2 Pressure Condenser 3,1 MPa Reboiler 3,5 MPa Condenser Delta P 1 bar Specifications Reflux Ratio 1,2 Trong Monitor nhập thông số cho Btms Products Rate là 1109 kgmole/h, bấm Run để tính toán tháp. Khởi tạo thêm 2 tham số thành phần cấu tử của tháp Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 37 Propan in Condenser Name Pro Stages Condenser Flow Basis Mole Fraction Phase Liquid Spec Value 0,01 Component Propane Ethane in Reboiler Name Etan Stages Reboiler Flow Basis Mole Fraction Phase Liquid Spec Value 0,01 Component Ethane Bỏ kích hoạt Reflux Ratio và Btms Product Rate, kích hoạt các tham số Pro và Etan vừa khởi tạo. Dòng sản phẩm ra khỏi đỉnh tháp được trộn với dòng hơi ra khỏi tháp tách 7 tại thiết bị MIX-101, rồi qua TDN 3. 3. Thiết lập chu trình làm lạnh bằng propan Tạo một template với tên Lam lanh bang propan, trong giao diện Simulation Basic Manager nhập các thông tin sau: Property Package Peng-Robinson Components Propane Tạo một lưu trình như hình dưới Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 38 Chu trình làm lạnh bằng propan * Thiết lập các dòng cần thiết Trong giao diện chính, tạo các dòng 1, 3 với các thông số sau: Dòng 1 Name 1 Temperature 50 oC Vapour/Phase Fraction 0 Component 100% C3 Dòng 3 Name 3 Temperature -20 oC Vapour/Phase Fraction 1 * Các thiết bị chính Chu trình làm lạnh bằng propan gồm 4 thiết bị chính  Van  Thiết bị bay hơi propan  Máy nén Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 39  Thiết bị ngưng tụ Nhập van Dòng vào van là dòng 1 ra từ thiết bị ngưng tụ ở nhiệt độ điểm bọt của nó, dòng ra khỏi van là dòng 2. Nhập thiết bị bay hơi propan Thiết bị Bay hơi propan trong vòng làm lạnh mô phỏng trong HYSYS sử dụng thiết bị gia nhiệt. Dòng 3 ra khỏi thiết bị Bay hơi ở nhiệt độ điểm sương. Thiết bị có trở lực Delta P là 0,07 bar. Nhập máy nén Máy nén được sử dụng làm tăng áp suất dòng khí vào 3. Thiết bị có hiệu suất Adiabatic Efficiency là 75%. Nhập thiết bị ngưng tụ Đây là thiết bị cuối cùng trong chu trình làm lạnh Propane. Thiết bị này được đặt giữa Máy nén và van và nó được mô phỏng như 1 thiết bị làm lạnh. Áp suất tổn thất Delta P của thiết bị là 0,25 bar. * Kết nối với lưu trình chính - Chuyển chu trình sang dạng Sub-Flowsheet. Kéo chuột lựa chọn toàn bộ lưu trình, kích chuột phải chọn Cut/Paste Objects  Combine Into Sub-Flowsheet. Đổi tên Sub-Flowsheet thành Chu trinh lanh. - Copy Chu trinh lanh vừa tạo vào trong lưu trình chính. 4. Thiết lập Spreadsheet xác định lượng propan Trong sơ đồ công nghệ trên, có 2 quá trình làm lạnh bằng tác nhân lạnh propan - Làm lạnh ở thiết bị TDN 6 với nhiệt lượng Q lanh 1. - Ngưng tụ hồi lưu ở đỉnh Thap tach etan 9 với dòng nhiệt Q lanh 2. Tạo Spreadsheet có tên Nhiet luong. Trong bảng Import Variables ta thêm các dòng sau Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 40 Q lanh 1 Flowsheet Case (Main) Object Q lanh 1 Variable Heat Flow Cell B1 Q lanh 2 Flowsheet Case (Main) Object Q lanh 2 Variable Heat Flow Cell B2 1 Flowsheet Chu trinh lanh Object 1 Variable Molar Flow Cell B5 * Xác định lượng propan tiêu tốn Lượng nhiệt tổng cộng được tính trong ô B3 bằng công thức “=b1+b2”. Kich chuột phải vào ô B3, chọn Export Fomular Result. Xuất hiện một bảng, ta chọn các thông số như sau: Cột Lựa chọn Flow Sheet Chu trinh lanh Object Q lanh Variable Heat Flow Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 41 Spreadsheet xác định lưu lượng tác nhân lạnh propan II. Kết quả 1, Cân bằng chung của quá trình Thông số về nguyên liệu và sản phẩm của quá trình như sau: Dòng vào Dòng ra Nguyên liệu Khí khô C3+ Thông số Thành phần hơi 0,0000 1,0000 0,0000 Nhiệt độ (oC) 30 -7,4 129,3 Áp suất (MPa) 16,0 3,0 3,5 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 42 Lưu lượng mol (kgmole/h) 7.930 6.820 1.109 Lưu lượng khối lượng (kg/h) 186.653 123.548 63.091 Thành phần mole Metan 0,7654 0,8899 0,0000 Etan 0,0689 0,0785 0,0100 Propan 0,0825 0,0262 0,4288 Butan 0,0578 0,0053 0,3807 C5+ 0,0254 0,0002 0,1805 Lưu lượng khối lượng kg/h Metan 97.374,14 97.366,92 0,37 Etan 16.429,47 16.092,48 333,49 Propan 28.849,30 7.876,20 20.970,66 Butan 26.641,31 2.104,53 24.536,31 C5+ 17.358,51 108,15 17.250,37 Lưu lượng mole kgmole/h Metan 6.069,61 6.069,16 0,02 Etan 546,38 535,17 11,09 Propan 654,22 178,61 475,56 Butan 458,35 36,21 422,14 C5+ 201,42 1,25 200,17 Hiệu suất tách C3+ của quá trình Lưu lượng C3+ của nguyên liệu: 72.849,13 kg/h Lưu lượng C3+ trong dòng ra: 62.757,33 kg/h Hiệu suất tách C3+: 86,15% Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 43 2. Cân bằng vật chất tại các tháp tách * Cân bằng tại tháp tách 7 Dòng vào Dòng ra Dòng vào tháp 7 Lỏng Hơi Thông số Thành phần hơi 0,7649 0,0000 1,0000 Nhiệt độ (oC) -30 -30,6 -30,6 Áp suất (MPa) 3,7 3,6 3,6 Lưu lượng mol (kgmole/h) 8.220 1.918 6.302 Lưu lượng khối lượng (kg/h) 192.522 80.168 112.354 Thành phần mole Metan 0,7670 0,2887 0,9125 Etan 0,0700 0,1226 0,0540 Propan 0,0821 0,2613 0,0275 Butan 0,0564 0,2230 0,0057 C5+ 0,0245 0,1045 0,0002 Lưu lượng khối lượng kg/h Metan 101.139,27 8.880,52 92.258,74 Etan 17.302,04 7.066,67 10.235,37 Propan 29.742,00 22.094,44 7.647,55 Butan 26.955,63 24.851,11 2.104,53 C5+ 17.382,95 17.274,80 108,15 Lưu lượng mole kgmole/h Metan 6.304,30 553,55 5.750,75 Etan 575,39 235,01 340,39 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 44 Propan 674,47 501,04 173,43 Butan 463,76 427,55 36,21 C5+ 201,71 200,45 1,25 * Cân bằng tại tháp tách sơ bộ etan 8 Dòng vào Dòng ra Dòng vào tháp 8 Lỏng Hơi Thông số Thành phần hơi 0,1438 0,0000 1,0000 Nhiệt độ (oC) 0,0 -0,4 -0,4 Áp suất (MPa) 3,6 3,5 3,5 Lưu lượng mol (kgmole/h) 1.918 1.627 290 Lưu lượng khối lượng (kg/h) 80.168 74.285 5.882 Thành phần mole Metan 0,2887 0,1957 0,8101 Etan 0,1226 0,1265 0,1004 Propan 0,2613 0,2954 0,0699 Butan 0,2230 0,2594 0,0187 C5+ 0,1045 0,1230 0,0010 Lưu lượng khối lượng kg/h Metan 8.880,52 5.108,55 3.771,98 Etan 7.066,67 6.190,60 876,07 Propan 22.094,44 21.199,30 895,14 Butan 24.851,11 24.536,31 314,79 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 45 C5+ 17.274,80 17.250,37 24,43 Lưu lượng mole kgmole/h Metan 553,55 318,43 235,12 Etan 235,01 205,87 29,13 Propan 501,04 480,74 20,30 Butan 427,55 422,14 5,42 C5+ 200,45 200,17 0,28 * Cân bằng tại tháp tách etan 9 Dòng vào Dòng ra Dòng vào tháp 9 Lỏng Hơi Thông số Thành phần hơi 0,0917 0,0000 1,0000 Nhiệt độ (oC) 20,0 129,3 -28,1 Áp suất (MPa) 3,3 3,5 3,1 Lưu lượng mol (kgmole/h) 1.627 1.109 518 Lưu lượng khối lượng (kg/h) 74.285 63.091 11.194 Thành phần mole Metan 0,1957 0,0000 0,6142 Etan 0,1265 0,0100 0,3758 Propan 0,2954 0,4288 0,0100 Butan 0,2594 0,3807 0,0000 C5+ 0,1230 0,1805 0,0000 Lưu lượng Metan 5.108,55 0,37 5.108,18 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 46 khối lượng kg/h Etan 6.190,60 333,49 5.857,11 Propan 21.199,30 20.970,66 228,64 Butan 24.536,31 24.536,31 0,00 C5+ 17.250,37 17.250,37 0,00 Lưu lượng mole kgmole/h Metan 318,43 0,02 318,41 Etan 205,87 11,09 194,78 Propan 480,74 475,56 5,18 Butan 422,14 422,14 0,00 C5+ 200,17 200,17 0,00 3. Cân bằng nhiệt lượng tại các tháp tách * Cân bằng nhiệt lượng tại tháp tách 7 Lưu lượng kg/h Entanly kJ/kg Nhiệt lượng kJ/s Dòng vào Vào tháp 7 Metan 101.139,27 4.850,05 136.258,61 Etan 17.302,04 3.332,61 16.016,91 Propan 29.742,00 2.858,23 23.613,74 Butan 26.955,63 2.661,99 19.932,10 C5+ 17.382,95 2.296,27 11.087,76 Tổng 192.521,88 206.909,11 Dòng ra Lỏng Metan 8.880,52 4.849,79 11.963,51 Etan 7.066,67 3.334,27 6.545,04 Propan 22.094,44 2.859,60 17.550,38 Butan 24.851,11 2.663,26 18.384,70 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 47 C5+ 17.274,80 2.297,47 11.024,54 Tổng 80.167,54 65.468,17 Hơi Metan 92.258,74 4.849,79 124.287,55 Etan 10.235,37 3.334,27 9.479,85 Propan 7.647,55 2.859,60 6.074,72 Butan 2.104,53 2.663,26 1.556,92 C5+ 108,15 2.297,47 69,02 Tổng 112.354,35 141.468,05 * Cân bằng nhiệt lượng tại tháp tách 8 Lưu lượng kg/h Entanly kJ/kg Nhiệt lượng kJ/s Dòng vào Vào tháp 8 Metan 8.880,52 4.771,81 11.771,15 Etan 7.066,67 3.234,94 6.350,06 Propan 22.094,44 2.787,89 17.110,23 Butan 24.851,11 2.598,59 17.938,32 C5+ 17.274,80 2.237,95 10.738,94 Tổng 80.167,54 63.908,70 Dòng ra Lỏng Metan 5.108,55 4.849,79 6.882,04 Etan 6.190,60 3.334,27 5.733,64 Propan 21.199,30 2.859,60 16.839,33 Butan 24.536,31 2.663,26 18.151,82 C5+ 17.250,37 2.297,47 11.008,94 Tổng 74.285,12 58.615,79 Hơi Metan 3.771,98 4.771,43 4.999,37 Etan 876,07 3.236,11 787,51 Propan 895,14 2.788,90 693,46 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 48 Butan 314,79 2.599,55 227,31 C5+ 24,43 2.238,85 15,20 Tổng 5.882,41 6.722,85 4. Kích thước thiết bị chính Sử dụng Tool  Utilities, chọn Tray Sizing để xác định các kích thước của tháp tách etan 9. Kích thước tháp chưng 9 Nhiệt độ, oC Dòng nguyên liệu vào 20 Sản phẩm đỉnh -28,73 Sản phẩm đáy 129,3 Áp suất, MPa Dòng vào 3,3 Đỉnh tháp 3,1 Đáy tháp 3,5 Nhiệt lượng, MW Bay hơi propan 11 1,991 Đun bốc hơi đáy tháp 7,845 Loại đĩa Đĩa lỗ có kênh chảy truyền Số đĩa 19 Đĩa nạp liệu 11 Đường kính tháp, m 3,048 Khoảng cách các đĩa, m 0,61 Chiều cao tháp, m 11,58 Chiều dài ngưỡng chảy tràn, m 1,95 Chiều cao ngưỡng chảy tràn, mm 50,8 Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 49 KẾT LUẬN Khí đồng hành ở mỏ Rồng là khí béo, có hàm lượng C3+ cao (409 g/cm3) nên có tính kinh tế cao khi đưa vào sản xuất thương mại. Với hàm lượng C3+ như vậy, cộng với điều kiện kinh tế nước ta, sơ đồ công nghệ chế biến khí đạt hiệu quả kinh tế nhất là công nghệ ngưng tụ nhiệt độ thấpvới chu trình làm lạnh bằng propan có tháp tách sơ bộ etan. Đã mô phỏng sơ đồ chế biến khí bằng phần mềm mô phỏng HYSYS 7.3. Ta thu được kết quả hiệu suất tách C3+ đạt 86,15%. Với lưu lượng 4,5 triệu m3 khí /ngày, lượng C3+ thu được khoảng 1.506,18 tấn/ngày. Quá trình chế biến khí đồng hành ở mỏ Rồng sẽ thu về một lượng lớn C3+ và đáp ứng được nhu cầu sử dụng LPG ngày càng tăng của nước ta. Đồ án môn học Công nghệ chế biến khí Phạm Anh Tuấn 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Thị Minh Hiền, Công nghệ chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành, NXB khoa học và kỹ thuật, 2010 2. Nguyễn Thị Minh Hiền, Hysys trong mô phỏng công nghệ hóa học, NXB Khoa học kỹ thuật. 3. Hysys Statedy Stae Modeling Document. 4. Campbell J.M, Gas Conditioning and Processing, Volume 1: The Basic Principles. Campbell Petroleum Series. Norma, Oklahoma. October 1994. 5. Campbell J.M, Gas Conditioning and Processing, Volume 2: The Equipment. Campbell Petroleum Series. Norma, Oklahoma. October 1994. 6. GPSA Engineering Data Book, Vol I & II, 2004 7. Donald L.Katz, Handbook of Natural gas Enginerring, Mc Graw-Hill Book Company, New York 1959 8. Daeid Mokhatab and Wiliam A.Poe, Handbook of natural gas tranmission and processing, 2006 9.