Đồ án Thiết kế quy trình công nghệ làm khô khí trên giàn hải thạch

87 trang thiennha21 12/04/2022 5391

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Thiết kế quy trình công nghệ làm khô khí trên giàn hải thạch", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

do_an_thiet_ke_quy_trinh_cong_nghe_lam_kho_khi_tren_gian_hai.pdf

Nội dung text: Đồ án Thiết kế quy trình công nghệ làm khô khí trên giàn hải thạch

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ LÀM KHÔ KHÍ TRÊN GIÀN HẢI THẠCH Trình độ đào tạo : Đại học chính quy Ngành : Công nghệ kỹ thuật hóa học Chuyên ngành : Công nghệ hóa dầu Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Văn Thông ThS. Nguyễn Văn Toàn Sinh viên thực hiện : Nguyễn Tuấn Anh MSSV : 12030043 Lớp : DH12HD Bà Rịa – Vũng Tàu, năm 2016 `
TRƯỜNG ĐH BÀ RỊA VŨNG TÀU CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA HÓA HỌC & CNTP Độc lập – Tự do – Hạnh phúc o0o o0o NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Nguyễn Tuấn Anh MSSV: 12030043. Ngày, tháng, năm sinh: 04/08/1994. Nơi sinh: Tiền Giang. Ngành: Công nghệ kĩ thuật Hóa học. I. TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế quy trình công nghệ làm khô khí trên giàn Hải Thạch. II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu, so sánh các phương pháp khử nước trong khí: phương pháp hấp thụ, phương pháp hấp thụ. - Thiết kế quy trình công nghệ khử nước phù hợp với giàn Hải Thạch và tính toán thiết bị chính. - Mô phỏng lại quy trình công nghệ trên phần mềm Hysys và so sánh các thông số kỹ thuật. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN: 03/03/2015. IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2015. V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Phó giáo sư, tiến sĩ Nguyễn Văn Thông. Thạc sĩ Nguyễn Văn Toàn. Bà Rịa – Vũng Tàu, Ngày 20 tháng 6 năm 2016 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) TRƯỞNG BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể giảng viên khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Trường đại học Bà Rịa Vũng Tàu đã hỗ trợ và tạo mọi điều kiện để tôi thực hiện đồ án này . Tôi cũng chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Văn Thông và ThS. Nguyễn Văn Toàn đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi để tôi có thể hoàn thành đồ án. Cảm ơn chú Đinh Văn Khoan đã hỗ trợ về tài liệu và giúp đỡ tôi. Cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên và đóng góp ý kiến cho tôi để giúp tôi hoàn thiện đồ án. Bà Rịa – Vũng Tàu, tháng 07 năm 2016 Sinh viên thực hiện Nguyễn Tuấn Anh
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH v MỞ ĐẦU 1 Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2 1.1. Tổng quan về nguồn khí cần làm khô 2 1.1.1. Khái quát về mỏ Hải Thạch và công nghệ xử lý trên giàn 2 1.1.2. Đặc điểm kỹ thuật của nguồn khí 3 1.2. Sự hình thành hydrat 5 1.2.1. Định nghĩa 5 1.2.2. Nguyên nhân tạo hydrat 5 1.2.3. Cấu trúc hydrat 6 1.2.4. Tác hại của việc tạo thành hydrat 7 1.3. Giới thiệu về các phương pháp làm khô khí 7 1.3.1. Phương pháp hấp thụ 8 1.3.2. Phương pháp hấp phụ 10 1.3.3. Đánh giá và lựa chọn phương pháp làm khô khí 12 1.4. Cơ sở lý thuyết của phương pháp hấp thụ 14 1.4.1. Định nghĩa 14 1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ 16 1.5. Các công nghệ làm khô khí điển hình 22 1.5.1. Công nghệ làm khô khí của hãng SIIRTEC NIGI 2004 22 1.5.2. Công nghệ làm khô khí của hãng SIIRTEC NIGI 2006 23 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học i Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 1.5.3. Công nghệ làm khô khí của hãng CAMERON 24 1.5.4. Công nghệ làm khô khí của hãng SHELL 25 1.6. Tổng quan về phần mềm Hysys 26 1.6.1. Giới thiệu về Hysys 26 1.6.2. Ứng dụng của Hysys 37 Chương 2 THIẾT KẾ 38 2.1. Yêu cầu thiết kế 39 2.2. Lựa chọn thiết bị, thiết kế quy trình công kệ 39 2.3. Quy trình công nghệ 45 2.3.1. Điều kiện làm việc 45 2.3.2. Quy trình làm việc của hệ thống làm khô khí bằng TEG 46 Chương 3 TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ 46 3.1. Thiết bị chính 48 3.2. Thiết bị giải hấp thụ 55 Chương 4 MÔ PHỎNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 56 4.1. Cơ sở dữ liệu mô phỏng 48 4.2. Mô phỏng quy trình công nghệ làm khô khí 60 4.3. Khảo sát kết quả mô phỏng 648 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 PHỤ LỤC 70 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học ii Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MEG Monoethylene Glycol DEG Diethylene Glycol TEG Triethylene Glycol TREG Tetraethylene Glycol mmHg Milimet thủy ngân ppmV Part Per Million Volume MMSCFD Million Standard Cubic Feet Per Day LPG Liquefied Petroleum Gas CNG Compressor Natural Gas LNG Liquefied Natural Gas Sm3 Mét khối khí tiêu chuẩn POC Petroleum Operation Company PR Peng-Robinson GS Grayson Streed ZJ Zudkevitch-Joffee CS Chao Seader Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học iii Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần nguồn khí mỏ Hải Thạch 4 Bang 1.2. Thông số kỹ thuật nguồn khí 4 Bảng 1.3. Các đặc tính hóa lý của MEG, DEG, TEG, TREG 8 Bảng 1.4. Các đặc tính của chất hấp phụ 11 Bảng 1.5. So sánh hai phương pháp hấp thụ và hấp phụ 13 Bảng 1.6. Danh sách các hệ phương trình nhiệt động 33 Bảng 1.7. Các thuật toán logic trong Hysys 37 Bảng 2.1. Các thông số vật lý của thép carbon và thép không gỉ 45 Bảng 2.2. Các điều kiện công nghệ của quá trình khử nước 46 Bảng 3.1. Thành phần nguồn khí mỏ Hải Thạch 47 Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật nguồn khí 48 Bảng 3.3. Tính tỷ trọng của dòng khí 50 Bảng 3.4. Quan hệ giữa đường kính và khoảng cách giữa các đĩa chóp 52 Bảng 3.5. Xác định chiều dày thân tháp thông quá chiều cao và áp suất 53 Bảng 3.6. Tóm tắt các kích thước của tháp hấp thụ 54 Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật của dòng Feed TEG 60 Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật của tháp Contactor 60 Bảng 4.3. Thông số kỹ thuật của tháp giải hấp thụ 61 Bảng 4.4. So sánh giữa dòng Wet Gas và Dry Gas 63 Bảng 4.5. So sánh về số liệu của dòng Feed TEG, Rich TEG và Lean TEG 64 Bảng 4.6. So sánh giữa nhiệt độ tạo hydrat lý thuyết và mô phỏng 64 Bảng 4.7. Khảo sát lưu lượng TEG và nhiệt độ tạo hydrat sau hấp thụ 64 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học iv Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Vị trí của mỏ Hải Thạch 2 Hình 1.2. Sơ đồ xử lý trên giàn Hải Thạch 3 Hình 1.3. Cấu trúc của hydrat 6 Hình 1.4. Quy trình công nghệ của phương pháp hấp thụ 9 Hình 1.5. Sơ đồ quy trình công nghệ của phương pháp hấp phụ 12 Hình 1.6. Giản đồ pha 16 Hình 1.7. Phương trình truyền chất và phương trình đường nồng độ làm việc 20 Hình 1.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thụ 21 Hình 1.9. Sơ đồ quy trình công nghệ của hãng SIIRTEC NIGI 2004 22 Hình 1.10. Sơ đồ quy trình công nghệ của hãng SIIRTEC NIGI 2006 23 Hình 1.11. Sơ đồ quy trình công nghệ của hãng CAMERON 24 Hình 1.12. Sơ đồ quy trình công nghệ của hãng SHELL 25 Hình 1.13. Mối quan hệ giữa các môi trường trong Hysys 28 Hình 1.14. Ý nghĩa các biểu tượng trên Object Palette 29 Hình 1.15. Giao diện Simulation Basis Manager 30 Hình 1.16. Cách truy nhập tạo cấu tử 30 Hình 1.17. Giao diện Component List 31 Hình 1.18. Giao diện thiết lập các cấu tử giả 31 Hình 1.19. Giao diện thiết lập tên và đặc điểm của cấu tử giả 32 Hình 1.20. Giao diện hệ nhiệt động 34 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học v Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Hình 1.21. Giao diện chọn gói nhiệt động 35 Hình 1.22. Giao diện dòng vật chất 36 Hình 1.23. Giao diện dòng năng lượng 36 Hình 1.24. Giao diện chọn thiết bị 40 Hình 2.1. Thiết bị tách sương dạng lưới 41 Hình 2.2. Đĩa lỗ 42 Hình 2.3. Đĩa van 43 Hình 2.4. Đĩa chóp 44 Hình 4.1. Khai báo các cấu tử và phần mol các cấu tử 58 Hình 4.2. Khai báo các thong số kỹ thuật của dòng khí 59 Hình 4.3. Sự chênh lệch áp suất qua van 59 Hình 4.4. Sự chênh lệch áp suất qua thiết bị trao đổi nhiệt 60 Hình 4.5. So sánh giữa dòng TEG trước và sau giải hấp 61 Hình 4.6. So sánh giữa dòng Wet Gas và Dry Gas 61 Hình 4.7. So sánh giữa dòng Feed TEG và Rich TEG 62 Hình 4.8. Xác định nhiệt độ tạo hydrat dòng Wet Gas 63 Hình 4.9. Nhiệt độ tạo hydrat của dòng Dry Gas 64 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học vi Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT MỞ ĐẦU Khí tự nhiên và khí đồng hành khi được khai thác từ các giếng thường bão hòa hơi nước, chính lượng hơi nước này sẽ làm tăng hàm ẩm trong khí, cùng với nhiệt độ và áp suất sẽ quyết định khả năng hình thành các khối hydrat và sự ăn mòn đường ống, thiết bị và van [5],[10],[18]. Do đó trước khi được vận chuyển vào bờ dòng khí sẽ được khử nước. Để loại bỏ hàm ẩm của khí ta có nhiều phương pháp như dùng chất ức chế, làm lạnh, phương pháp hấp thụ, phương pháp hấp phụ, [5],[23]. Theo các bài báo khoa học gần đây, phương pháp hấp thụ được sử dụng rộng rãi và phổ biến, nhờ các ưu điểm của nó như thiết kế đơn giản, hiệu suất khử nước tốt, chi phí đầu tư và vận hành thấp [6], [8], [9]. Do đó, đề tài tốt nghiệp “Thiết kế quy trình công nghệ làm khô khí trên giàn Hải Thạch” được thực hiện nhầm góp phần xây dựng cơ sở lý thuyết và quy trình công nghệ để khử nước đặt trên giàn với giới hạn về khối lượng và khoảng không phù hợp nhất với giàn Hải Thạch [1], [2]. Mục tiêu của đề tài là thu thập cơ sở lý thuyết của quá trình hấp thụ sau đó thiết kế một quy trình công nghệ khử nước nhưng quy trình này sẽ tối giản nhất về kích thước và khối lượng mà vẫn bảo đảm khả năng khử nước với hiệu suất cao và sau cùng là mô phỏng và đánh giá lại hiệu suất khử nước. Nội dung nghiên cứu của đề tài gồm có: - Thu thập cơ sở lý thuyết và thông số kỹ thuật của nguồn khí cần làm khô. - Thu thập, phân tích cở sở lý thuyết về các phương pháp làm khô khí. - Nghiên cứu, đánh giá các hệ thống làm khô khí đang được sử dụng. - Thiết kế, tính toán hệ thống làm khô khí. - Mô phỏng lại quá trình khử nước trên Hysys. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 1 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan về nguồn khí cần làm khô 1.1.1. Khái quát về mỏ Hải Thạch và công nghệ xử lý trên giàn Mỏ Hải Thạch là mỏ khí-condensate nằm trong dự án Biển Đông 1 của Biển Đông POC thuộc lô 05.2 tại bể Nam Côn Sơn, có vị trí cách bờ khoảng 340 km về phía Nam. Khí được khai thác ở mỏ sẽ được dẫn chung vào đường ống Nam Côn Sơn đưa về trạm tiếp nhận và phân phối khí Dinh Cố [1]. Hình 1.1. Vị trí của mỏ Hải Thạch Mỏ Hải Thạch có thời gian khai thác 25 năm với công suất 8.5 triệu m3 khí và 25 ngàn thùng condensate mỗi ngày [3], mỗi năm cung cấp khoảng hai tỷ m3 khí năm, góp Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 2 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 5% GDP cho đất nước, ngoài ra còn bảo đảm an ninh năng lượng cho Việt Nam trong thời gian tới. Bên cạnh, ta phải xét đến khối lượng khổng lồ của giàn: Giàn đầu giếnh Hải Thạch có khối lượng gần 10 000 tấn và giàn xử lý có khối lượng gần 21 000 tấn. Fuel Gas Acid Gas Treatment End Flash Acid Gas Gas Well Reception Dehydration Liquefaction Removal Natural Gas Condensate Fractionanation Stabilisation LPG C4 and C3 Condensate C + 5 Hình 1.2. Sơ đồ xử lý trên giàn Hải Thạch [3] Hình 1.2 thể hiện các công đoạn xử lý khí trên giàn Hải Thạch, khí được khai thác từ dưới giếng sẽ được dẫn đến trạm tiếp nhận, tại đây hệ thống tách condensate-khí sẽ làm nhiệm vụ phân tách nguồn đầu vào ra thành dòng khí và dòng condensate, dòng condensate sau đó sẽ qua hệ thống ổn định condensate cho phù hợp các đặc tính hóa lý cũng như kỹ thuật và đưa vào bồn chứa, còn dòng khí sau đó sẽ đi qua hệ thống làm ngọt khí, loại bỏ các khí chua như CO2, H2S, tiếp theo dòng khí sẽ được dẫn qua hệ thông làm khô khí để loại bỏ lượng hơi nước bão hòa còn lẫn trong khí. Và sẽ được dẫn vào bờ và chuẩn bị cho các công đoạn chế biến như khí CNG, LNG, LPG và nguồn khí này cũng đã đáp ứng các yêu cầu cho khí nguyên liệu [6]. 1.1.2. Đặc điểm kỹ thuật của nguồn khí Bên cạnh biết được các công đoạn của quy trình công nghệ xử lý khí trên giàn, ta cũng cần phải biết các thông số kỹ thuật cũng như thành phần nguồn khí để phục vụ cho việc thiết kế tháp hấp thụ làm khô khí [3]. Thông số kỹ thuật của nguồn khí khai thác. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 3 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Bảng 1.1. Thành phần nguồn khí mỏ Hải Thạch [1], [2] STT Thành phần khí % Mole 1 Metane 0.8855 2 Etane 0.0545 3 Propane 0.0294 4 i-butane 0.0068 5 n-butane 0.0088 6 i-pentane 0.0032 7 n-pentane 0.0021 8 n-pentane 0.0025 + 9 C7 0.0020 10 H2O 0.0020 11 N2 0.0032 Các thông số kỹ thuật của nguồn khí sẽ quyết định các thông số công nghệ của các thiết bị trong hệ thống, nên dòng khí trước khi đưa vào hệ thống sẽ được đo các thông số như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng. Các thông số được thể hiện trong bảng 1.2. Bảng 1.2. Thông số kỹ thuật nguồn khí [3] Nhiệt độ (oC) 38 Áp suất (kPa) 6200 Lưu lượng (MMSCFD) 378.5 Tỷ trọng (kg/m3) 32.08 Đây là dòng khí được tách từ mỏ khí-condensate (khí ngưng tụ) nên thành phẩn chủ yếu là khí metan (0.8855 %mole), bên cạnh đó cũng có dãy đồng đẳng của hydrocarbon từ propane cho đến decane nhưng chiếm hàm lượng thấp. Đồng thời cũng có chứa một lượng hơi nước bão hòa và khí acid. Vì dòng khí đã qua hệ thống quy trình làm ngọt khí trước đó, nên ta xem xét hàm lượng các khí chua vào tháp hấp thụ là không có. Nên ta kết luận khí vào tháp hấp thụ là khí khô, ngọt (hàm lượng khí chua vì H2S < 1% thể tích, CO2 < 2% thể tích) [18], nguồn khí là khí gầy (chứa ít các hydrocarbon nặng) [18], nhưng lượng nước trong khí ở mức cao do đó khả năng hình thành hydrat là rất cao. Vì vậy, nơi đến tiếp theo của dòng khí sẽ là hệ thống làm khô khí. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 4 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 1.2. Sự hình thành hydrat 1.2.1. Định nghĩa Hydrat có tên khoa học là Natural Hydrate hoặc Gas Hydrate, đó là chất ở dạng rắn hình thành từ khí thiên nhiên và nước ở điều kiện áp suất cao (trên 30 atm) và nhiệt độ thấp (dưới 0oC). Hydrat có các phân tử cấu trúc chủ yếu là mạng tinh thể kết tinh từ các phân tử nước, bên trong chứa các phân tử khí. Các ô tạo thành mạng tinh thể chặt khít, cấu trúc của hydrat giống như cấu trúc của băng nhưng khác là các phân tử khí nằm trong các ô tinh thể và giữa chúng không có liên kết nào. Nhìn bên ngoài hydrat giống như băng và dùng que diêm đốt thì hydrat cháy [18]. Tính chất vật lý của hydrat: - Hydrat giống như tuyết được ép lại với nhau. - Màu của hydrat có thể thay đổi từ trắng đến xám phụ thuộc vào thành phần tập chất có trong thành phần. - Hydrat có khối lượng riêng là 0.8-0.24 g/cm3. - Tinh thể hydrat có độ bền cơ học, tính đàn hồi cao và độ thẩm thấu nhỏ. Thực nghiệm cho thấy: để phá hủy hoàn toàn một mol hydrat metan cần 14.5 + Kcal; với các đồng đẳng của metane từ C2 trờ lên thì nhiệt lượng cần cung cấp cũng tăng lên theo khối lượng phân tử và đạt tới 32 Kcal. 1.2.2. Nguyên nhân Ba điều kiện để sự hình thành hydrat diễn ra [5]: - Nước tự do, nước ngưng tụ hay hàm ẩm trong dòng khí, tùy thuộc vào hàm ẩm khác nhau sẽ ãnh hưởng đến nhiệt độ và áp suất tạo thành hydrat. - Áp suất cao, đối với dòng khí có hàm lượng nước càng lớn thì nhiệt độ tạo thành hydrat càng cao và ngược lại. - Nhiệt độ thấp, với dòng khí ở một nhiệt độ xác định, áp suất tạo tinh thể hydrat tăng khi hàm lượng nước tăng và ngược lại. Dựa vào các nguyên nhân trên ta sẽ có các giải pháp để tránh tạo thành hydrat: - Loại bỏ lượng hơi nước bão hòa lẫn trong khí, vì nước là một yếu tố quan trọng trong việc hình thành hydrat. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 5 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT - Hạn chế việc tăng áp suất trong quá trình vận chuyển, điều này không khả khi vì khi vận chuyển từ giàn vào bờ bắt buộc phải tuân theo thông số áp suất, áp suất đa phần phải cao để dễ dàng vận chuyển. - Nhiệt độ phải cao, vậy đòi hỏi phải gia nhiệt cho đường ống hay tăng nhiệt độ dòng khí, điều này không khả thi và gây nguy hiểm cho quá trình vận hành của công nhân. Do đó xét về mặt kinh tế và khả thi của quy trình thì phương án loại bỏ lượng hơi nước bão hòa là phù hợp và thuận lợi hơn cả. 1.2.3. Cấu trúc hydrat Hình 1.3. Cấu trúc của hydrat [9] Về cấu trúc các tinh thể hydrat có hai loại ô mạng cơ sở như hình 1.2 [9] Các chấm tròn chỉ các phân tử nước, các đoạn thẳng chỉ liên kết hydro. Bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen đã cho thấy cấu trúc tinh thể hydrat có dạng 12 mặt, mỗi mặt là hình 5 cạnh. Cấu trúc này có thể biến đổi thành dạng 14 mặt và 16 mặt. - Dạng cấu trúc 1 có hằng số mạng là 12 A, chứa 46 phân tử nước sắp xếp hình thành 8 lỗ trống trong đó có 2 lỗ trống dạng 12 mặt, 6 lỗ trống còn lại dạng 14 mặt. Ở dạng này thì các phân tử khí metane có thể chui vào. - Dạng cấu trúc 2 có 16 mặt, có hằng số mạng là 17 A. Ô mạng cơ sở chứa 136 phân tử nước, với cấu trúc chứa 16 lỗ trống nhỏ dạng 12 mặt và 8 lỗ trống lớn dạng Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 6 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 12 mặt. Ở dạng cấu trúc này có thể bẫy được các phân tử lớn như propane, n-butane, izo-butane. Một số hydrat điển hình: CH4.5,9H2O; C2H6.8,2H2O; C3H8.17H2O; izo- C4H10.17H2O, 1.2.4. Tác hại của việc tạo thành hydrat Tắc nghẽn: ở điều kiện phù hợp (nhiệt độ, áp suất) sự hình thành hydrat diễn ra sẽ tạo ra các nút cản trở sự vận chuyển khí trên đường ống, làm hẹp khoảng không di chuyển. Một khối hydrat đã hình thành thì rất khó khăn cho việc khắc phục sự cố vì các khối hydrat rất cứng. Giải pháp tốt nhất hiện nay để loại bỏ khối hydrat chính là hệ thống phóng thoi thông minh [23]. Nổ: việc tạo thành các nút sẽ làm tăng áp suất trong ống, dẫn đến nổ ống dẫn khí. Các vụ nổ ống dẫn dầu-khí là các vấn đề nghiêm trọng, không những gây thiệt hại lớn về tài chính: thất thoát nguồn nguyên liệu, gián đoạn việc cung cấp nguyên liệu cho các khu công nghiệp. Bên cạnh, ảnh hưởng nghiệm trọng đến môi trường biển, gây chết hàng loạt các động vật biển và bỏ ra hàng tỷ đô-la để khắc phục sự cố [23]. Do đó, phòng thì lúc nào cũng dễ dàng hơn là khắc phục hậu quả và để giảm thiểu cũng như tránh các tác hại trên, tốt nhất ta nên tuyệt đối không để việc hình thành hydrat. 1.3. Giới thiệu về các phương pháp làm khô khí Nước tồn tại trong khí chủ yếu dưới dạng hơi bão hòa. Mục đích của việc loại bỏ nước trong khí tự nhiên là để làm giảm sự hư hại ống do ăn mòn và tránh tắc nghẽn đường ống do việc tạo thành hydrat. Trong một vài trường hợp, quá trình khử nước nhằm mục đích đáp ứng thông số kỹ thuật được quy định sẵn cho các quá trình sau xử lý hoặc thu hồi các sản phẩm lẫn trong nước. Quá trình khử nước có thể được tiến hành bằng nhiều phương pháp tiêu biểu đó là: phương pháp hấp thụ và phương pháp hấp phụ. Bên cạnh nếu chúng ta không dùng hệ thống làm khô khí, ta còn có thể sử dụng các chất ức chế họ amine: DEA, TEA, để làm giảm sự hình thành hydrat trên đường ống, nhưng cần một hệ thống phụ trợ để tách chất ức chế ra khỏi dòng khí [7], [10], [13]. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 7 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 1.3.1. Phương pháp hấp thụ Sự khử nước bằng phương pháp hấp thụ được diễn ra khi có sự tiếp xúc giữa khí ẩm và dung môi, những dung môi này phải có ái lực hóa học cao với nước và được biết đến như các chất làm khô dạng lỏng. Các chất làm khô hấp thụ nước và trở nên ẩm hơn vì chứa nước. Và sau đó các chất làm khô sẽ được giải hấp bằng phương pháp gia nhiệt để hoàn nguyên lại chất làm khô ban đầu và quay trở quy trình lại tiếp tục quá trình hấp thụ. Dung môi hấp thụ phải có các đặc tính sau: [5] - Có ái lực cao với nước và có ái lực thấp với các hydrocarbon - Độ nhớt thấp để thuận lợi cho việc bơm và sự tiếp xúc dễ dàng giữa dung môi và khí. - Khả năng bền nhiệt tốt để chắc rằng quá trình phân hủy dung môi hấp thụ không diễn ra ở nhiệt độ cao, đồng thời hiệu quả thu hồi dung môi cao. - Thế điện cực ăn mòn thấp. - Có độ bay hơi thấp tại nhiệt độ hấp thụ: giảm mất mát dung môi. - Rẻ tiền và dễ dàng tái sử dụng. - Không độc hại với con người, môi trường. Các chất làm khô dạng lỏng được dung phổ biến trong quá trình hấp thụ đó là glycol: monoethylene glycol (MEG), diethylene glycol (DEG), triethylene glycol (TEG) và tetraethylene glycol (TREG) [6]. Bảng 1.3. thể hiện các thông số quan trọng của những dung môi trên: Bảng 1.3. Các đặc tính hóa lý của MEG, DEG, TEG, TREG [7] Glycol MEG DEG TEG TREG Công thức phân tử C2H6O2 C4H10O4 C6H14O4 C8H18O5 Khối lượng nguyên tử, g/mol 62 106 150 194 Nhiệt độ sôi (760 mmHg), oC 197 245 288 329 Nhiệt độ đông đặc, oC -13.4 -9.0 -4.3 -4.0 Tỷ trọng, g/cc (ở 20oC) 1.115 1.118 1.125 1.124 Độ nhớ động học, cP 16.9 35.7 49.0 58.3 Nhiệt độ phân hủy, oC 240 162 206 226 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 8 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Bên cạnh glycol còn có các đặc tính nổi bật sau [5], [10]: - Ethylene glycol được sử dụng khi trong khí có chứa hàm lượng nước biển cao, tính tan của NaCl trong MEG là 20wt % còn các glycol khác chỉ khoảng 5wt%, khả năng bay hơi cao gây mất mát, thất thoát dung môi, khả năng loại nước thấp nhất. - Diethylene glycol được sử dụng khi lượng hơi nước bão hòa đạt đến một yêu cầu và kết hợp thêm dùng chất ức chế trên đường ống và đôi khi DEG được dùng trong thời tiết hơi lạnh vì nó có độ nhớt thấp. - Triethylene glycol là chất hấp thụ được dung phổ biến nhất trong quá trình khử nước, nó được dung phổ biến bới các lý do sau: tiến hành giải hấp đến nồng độ cao mà không bị phân hủy, ít bay hơi, loại nước tốt, triệt để mà không cần có hệ thống phụ. - Tetraethylene glycol được sử dụng khi nhiệt độ làm việc của tháp hấp thụ trên 500C, giá thành đắt và độ nhớt cao dẫn đến sự tiếp xúc không tốt giữa dòng khí và dung môi cũng như tiêu tốn nhiều năng lượng cho việc bơm, một hạn chế nửa là TREG tiêu tốn nhiều năng lượng để hoàn nguyên. Dựa vào các yếu tố kinh tế, năng lượng, chi phí lắp đặt vận hành, thì TEG tỏ ra hiệu quả nhất, vì TEG rẻ, dễ hoàn nguyên ở nhiệt độ trung bình, khử nước hiệu quả, ít thất thoát trong quá trình vận hành. Hình 1.4. Quy trình công nghệ của phương pháp hấp thụ [6] Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 9 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Dòng khí ẩm sẽ đi vào ở đáy tháp Absorber, đồng thời dòng glycol sẽ đi vào ở đỉnh tháp hai dòng chảy ngược chiều nhau làm tăng quá trình truyền khối. Sau đó, khí khô sẽ ra khỏi tháp ở đỉnh còn dòng glycol ẩm sẽ được dẫn qua thiết bị giảm áp và tách các hydrocarbon bị lẫn vào glycol tiếp theo dòng glycol ẩm sẽ vào thiết bị giải hấp thụ, dựa trên tác động của nhiệt độ hơi nước trong glycol sẽ bay hơi và ta thu được dòng glycol nồng độ cao ban đầu, dòng glycol này sẽ được dẫn trở lại tháp Absorber để quá trình khử nước được diễn ra một cách liên tục. - Thiết kế quy trình hệ thống đơn giản. - Thiết bị đơn giản, gọn ít tốn khoảng không. - Dễ dàng tự động hóa. Tuy vậy nhưng vẫn loại bỏ tốt hàm lượng hơi nước bão hòa theo yêu cầu. 1.3.2. Phương pháp hấp phụ Quá trình hấp phụ là quá trình mà các chất làm khô rắn được sử dụng để loại nước hoặc hơi nước trong khí. Có hai loại hấp phụ: hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý. Hấp phụ hóa học được định nghĩa dựa vào các phản ứng hóa học đó là các liên kết bề mặt như liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, các liên kết này bền vững nên khó khăn cho việc hoàn nguyên chất hấp phụ, do đó hấp thụ vật lý được ứng dụng cao hơn. Hấp phụ vật lý dựa vào các liên kết vật lý như: lực Vandervan, lực liên kết hydro, [15] Chất hấp phụ có những đặc tính sau: - Tỷ lệ bề mặt và thể tích cao. - Rẻ và dễ dàng tái sinh. - Độ chọn lọc cao. - Có độ bền cơ học cao, không bị bể, vỡ vụn. - Không độc hại với con người và môi trường, chịu được ăn mòn. - Các chất phổ biến được dung trong quá trình hấp phụ là: Silica gel (SiO2), aluminum dioxide (Al2O3) và các chất rây phân tử (Zeolite 4A), Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 10 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Bảng 1.4: Các đặc tính của chất hấp phụ [10] Property Silica gel Activated alumina Zeolite 4A Hình dạng Hình cầu Hình cầu Dạng viên Tỷ trọng, kg/m3 720-780 750-850 720-780 Nhiệt độ tái sinh, oC 250-280 160-220 200-315 Diện tích bề mặt, m2/g 650-830 210-360 600-800 Thể tích xốp, cm2/g 0.36-0.43 0.2-0.4 0.28 Kích thước hạt, mm 2-5 3,5,6 1.6,3.2,6 Độ ấm tối thiểu của hạt 10-20 5-10 0.1 - Silica gel: có ái lực với nước cao và được dùng phổ biến khi nồng độ nước trong khí rất là cao (>1 mol %), dòng khí sau xử lý có thể đạt đến điểm sương là -51oC và lượng nước trong khí xuống còn 0.034 g/m3. Silica gel có khả năng chống chịu axit mạnh nên đặc biệt hiệu quả khi dòng khí có nồng độ khí axit cao [7]. - Alumina là một chất hình thành trong tự nhiên, là hợp chất phân cực, lôi cuốn một cách mạnh mẽ khí axit và nước. Alumina thì thích hợp sự loại nước với mức độ vừa của nước. Alumina có độ bền cơ học cao nhất, cao hơn silica gel và hợp chất rây phân tử. Dòng khí sau xử lý có thể đạt đến điểm sương là -68oC [6], [7]. - Hợp chất rây phân tử: rất phổ biến cho quá trình khử nước, dòng khí sau xử lý điểm sương có thể đạt đến -184oC và hàm lượng ẩm trong khí chỉ còn 0.0001 g/m3. Nhưng nhiệt độ tái sinh của các hợp chất rây phân tử lại cao từ 200-315oC và giá thành cũng đắt hơn so với silica gel và alumina [6]. Cả ba loại chất hấp phụ trên đều được ứng dụng trong đời sống thực tế nhưng với quy mô khác nhau. Silicagel được ứng dụng nhiều trong các phòng thí nghiệm, các quy trình với quy mô nhỏ và trung bình. Còn Zeolite được xem như là phát minh vượt bậc bởi các lợi thế nổi bật của nó với diện tích bề mặt cao, độ chọn lọc rất cao. Alumina được sử dụng nhiều trong nghiên cứu, diện tích bề mặt cao nhưng không bằng zeolite có điều là giá thành thì selicagel và alumina rẻ hơn. Do đó, tùy thuộc vào mục đích khử nước, mục đích sử dụng cũng như quy mô của hệ thống mà ta sẽ chọn chất hấp phụ cho phù hợp nhất. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 11 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Hình 1.5 Sơ đồ quy trình công nghệ của phương pháp hấp phụ [8] Quy trình công nghệ gồm hai tháp đặt song song với nhau. Một tháp làm nhiệm vụ hấp phụ trong khi tháp còn lại làm nhiệm vụ giải hấp phụ, cứ như thế luân phiên với nhau. Giai đoạn hấp phụ nước: Khí ẩm sẽ qua thiết bị tách sơ bộ trước khi vào tháp hấp phụ. Trong tháp hấp phụ là các lớp đệm chứa chất hấp phụ, dòng khí đi qua các lớp đệm và nước sẽ được giữ lại, khí khô sẽ ra đáy tháp và được dẫn cho mục đích tiếp theo, một phần khí khô này sẽ được trích là để làm nguyên liệu cho lò đốt. Giai đoạn giải hấp phụ: Lò đốt sẽ dung khí khô để đốt, gia nhiệt hơi nước quá nhiệt lên 300oC và được đưa vào dưới đáy tháp hấp phụ, dòng hơi nước quá nhiệt sẽ lôi kéo và làm bay hơi các phân tử nước bị hút bởi chất hấp phụ, dòng hỗn hợp khi ra ở đỉnh tháp sẽ được làm mát để nước ngưng tụ lại. - Quy trình công nghệ này có khả năng khử nước rất cao. - Nhưng cần đến hai tháp, chiếm diện tích lớn và chi phí xây dựng cao. - Bên cạnh cũng cần nhiều thiết bị phụ trợ: thiết bị làm mát, lò đốt, - Khi muốn thay thế chất hấp phụ thì phải dừng hệ thống. 1.3.3. Đánh giá và lựa chọn phương pháp làm khô khí Có nhiều yếu tố cần chú ý đến khi so sánh hai phương pháp hấp thụ và hấp phụ được sử dụng để làm khô khí. Trong đồ án này, ta xem xét và lựa chọn phương pháp dựa trên ưu điểm và nhược điểm cũng như lợi ích về kinh tế và tiết kiệm khoảng không. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 12 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Bảng 1.5. So sánh hai phương pháp hấp thụ và hấp phụ Hấp thụ Hấp phụ + Khi sử phương pháp hấp + Khi sử dụng phương pháp thụ thì điểm sượng đạt được là - hấp phụ thì điểm sương có hạ đến 25oC, hơi nước bão hòa còn tồn dưới -50oC, lượng nước còn lại trong tại là 0.2 g/m3. [4],[8] khí ít hơn 0.038 g/m3. [4] + Chi phí lấp đặt thấp,cùng + Chi phí xây dựng và lắp đặt một hệ thống thì hệ thống hấp thụ tốn kém nhiều hơn phương pháp hấp Lý thuyết sẽ rẻ hơn 50% nếu lưu lượng khí thụ. vào là 10 MMSCFD và rẻ hơn + Ít bị ảnh hưởng khi có sự thay 33% nếu lưu lượng khí vào là 50 đổi nhỏ về áp suất dòng khí đầu vào, MMSCFD. [5] nhiệt độ và lưu lượng. + Bị ảnh hưởng khi thay đổi về lưu lượng, áp suất. + Chi phí vừa để thay thế + Hệ thông hấp phụ cần nhiều chất khử nước, thời hạn sử dụng khoảng không và nặng hơn khi so của chất hấp thụ nhiều hơn chất sánh với hệ thống hấp thụ. hấp phụ. + Hệ thông hấp phụ đến hai Quá trình + Các chất glycol thì rẻ hơn tháp và nhiều thiết bị phụ trợ. [7] so với silica gel, alumina, hợp +Chất hấp phụ có giá thành cao chất rây phân tử. và thời gian sử dụng không lâu. Mỗi + TEG hoàn nguyên dễ lần thay chất hấp thụ là phải dừng hệ dàng đến nồng độ 99%. [8] thống. Từ các dẫn chứng trên thì, khử nước bằng phương pháp hấp thụ thì chi phí rẻ hơn kích thước nhỏ hơn và có nhiều lợi ích về chi phí cũng như vận hành hơn khử nước bằng phương pháp hấp phụ. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 13 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 1.4. Cơ sở lý thuyết của phương pháp hấp thụ 1.4.1. Định nghĩa Hấp thụ là quá trình hút khí hoặc hơi bằng chất lỏng, trong đó vật chất di chuyển từ pha khí vào pha lỏng, khí được hút gọi là chất bị hấp thụ, chất lỏng để hút gọi là dung môi (hay chất hấp thụ). Trong công nghiệp quá trình hấp thụ dùng để: - Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí. - Làm sách khí. - Tách hỗn hợp khí thành từng cấu tử riêng biệt. Trong trường hợp một và ba, bắt buộc bắt buộc phải tiến hành quá trình giả hấp để thu hồi các cấu tử và dung môi. Còn trong trường hợp hai, thì quá trình này không cần thiết nếu dung môi rẽ tiền, dễ kiếm (nước) chỉ khi nào cần thực hiện thu hồi dung môi ta mới thực hiện quá trình giải hấp. Đặc điểm của quá trình hấp thụ: - Là quá trình truyền khối từ pha khí sang pha lỏng. - Áp suất hơi riêng phần của pha khí lớn hơn pha lỏng. - Đây là quá trình tương tác vật lý giữa hơi nước trong pha khí và dung môi. Quá trình hấp thụ có thể được hiểu một cách đơn giản như sau: Khi hai pha tiếp xúc với nhau, các cấu tử trong hai pha sẽ có sự chuyển đổi cho nhau tùy thuộc vào vận tốc vật chất đi pha này đến pha kia mà nồng độ cấu tử trong hai pha sẽ khác nhau, nhưng đến một lúc nào đó thì cân bằng sẽ được hình thành, nghĩa là vận tốc chiều thuận và chiều nghịch bằng nhau. Gọi φx, φy lần lượt là pha lỏng và pha khí; x, y là nồng độ của nước trong pha lỏng và pha khí; vt, vn là vận tốc của pha khí vào pha lỏng và của lỏng vào khí. Ban đầu nồng độ của nước trong pha lỏng bằng 0 (x=0), còn nồng độ nước trong pha khí lớn hơn 0 (y>0). Quá trình chuyền khối xảy ra khi vận tốc của pha khí vào pha lỏng lớn hơn vận tốc của pha lỏng vào pha khí (vt>vn), khi đó y giảm dần, x tăng dần. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 14 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Quá trình cân bằng động y=ycb, x=xcb tại trạng thái cân bằng pha, quá trình di chuyển vật chất giữa hai pha là bằng nhau vt=vn Tại mỗi điều kiện xác định sẽ tồn tại một mối quan hệ cân bằng giữa nồng độ các cấu tử trong hai pha và được biểu diễn bằng đường cân bằng.Khi cân bằng thì sự khuyết tán tổng cộng của hai pha bằng 0. Khi chưa cân bằng sẽ xảy ra quá trình khuyết tán của các cấu tử của hai pha để đưa về trạng thái cân bằng. Giới hạn của quá trình truyền khối là khi hệ đạt trạng thái cân bằng. Chiều khuyết tán cấu tử sẽ tuân theo quy luật: - Nếu y ycb, vật chất truyền từ pha φy vào pha φx Chất phân bố sẽ đi vào pha có nồng độ làm việc thấp hơn nồng độ cân bằng. Sự tồn tại của một pha hay sự cân bằng pha trong hệ thống chỉ có thể thực hiện được ở những điều kiện xác định. Nếu ta thay đổi những điều kiện đó thì cân bằng đó sẽ bị phá hủy, nghĩa là thay đổi số pha trong hệ. Quy tắc pha (Gibbs) cho phép biết được đối với một hệ nhất định có thể thay đổi bao nhiêu yếu tố mà cân bằng pha của hệ không bị phá hủy. Nếu gọi: - C: Số bậc tự do - H: Số pha của hệ - K: Số cấu tử độc lập của hệ - N: Số yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến cân bằng của hệ. Khi đó quy tắc pha có thể biểu thị bằng phương trình chung: C= K – H + N Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 15 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Hình 1.6. Giản đồ pha Ta sẽ xét thêm các định luật liên quan đến quá trình cân bằng pha để hiểu thêm về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ. 1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ Độ hòa tan của khí trong lỏng phụ thuộc rất nhiều yếu tố: bản chất dung môi và khí, áp suất trên mặt chất lỏng, nhiệt độ, nồng độ các tạp chất. Ở đây ta chỉ xét ba yếu tố quan trọng nhất là: Nhiệt độ, áp suất và thành phần các cấu tử. Độ hòa tan của khí trong lỏng là lượng khí hòa tan trong một đơn vị chất lỏng, được biểu thị bằng kg/kg, kg/m3, g/l, Độ hòa tan của khí trong lỏng phụ thuộc vào tính chất của khí và của chất lỏng, phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, áp suất riêng phần của khí trong hỗn hợp a) Ảnh hưởng của áp suất đến độ hòa tan của khí trong lỏng Sự ảnh hưởng của áp suất đến độ hòa tan phụ thuộc vào định luật Henry Định luật Henry: Nếu ở áp suất thấp và độ hòa tan tương đối nhỏ thì độ hòa tan của khí trong lỏng tại nhiệt độ nào đó tỷ lệ với áp suất riêng phần của khí trong dung dịch [17]. 푃푖 = 퐾. 푖 Thành phần cân bằng của các pha trong hệ khí dung dịch, chất lỏng hòa tan khí đối với các khí lý tưởng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn được xác định theo định luật Henry. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 16 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Trong phương trình - Ni: nồng độ phần mol của khí bị hấp thụ trong dung dịch. - Pi: áp suất riêng phần của khí bị hấp thụ trong hỗn hợp khí trên mặt thoáng dung dịch ở điều kiện cân bằng; - K: hệ số Henry. b) Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ hòa tan khí trong lỏng Định luật phân bố Nest: Ở nhiệt độ và áp suất không đổi, tỷ số nồng độ chất tan trong hai dung môi không tan lẫn vào nhau là hằng số [17]. .( ) 퐾 = = 표푛푠푡 .( ) Trong đó: - Nx(A) : nồng độ của cấu tử x trong pha A. - Nx(B) : nồng độ của cấu tử x trong pha B. - K: hằng số phân bố, phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Bên cạnh, ta cũng xét độ hòa tan của khí trong lỏng Muốn tính toán được quá trình hấp thụ cần phải biết độ hòa tan của khí vào trong lỏng hay nói một cách khác là phải biết mối quan hệ phụ thuộc giữa nồng độ khí ở trong hỗn hợp và ở trong lỏng. Cân bằng được xác định bởi áp suất, nhiệt độ và nồng độ. Nếu nhiệt độ không đổi thì độ hòa tan phụ thuộc vào áp suất. Sự phụ thuộc này tuân theo định luật Henry- Dalton: y*=m.x - Đối với khí lý tưởng, m là hằng số và mối quan hệ y*=f(x) là đường thẳng - Đối với khí thực, m phụ thuộc vào nồng độ x, nên đường cân bằng là Ψ đường cong. Hằng số cân bằng = 푃 Khi tính toán quá trình hấp thụ người ta thường dùng nồng độ phần mol tương đối Y, X. 푌 = ; = 푌 + 1 + 1 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 17 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Do đó: . 푌 = 1 + (1 − ). Như vậy, quan hệ cân bằng tính theo nồng độ phần mol tương đối luôn là một đường cong. Phương trình đường làm việc của quá trình hấp thụ được hình thành trên cơ sở của lý thuyết hai lớp màng. Đó là lớp màng phân cách giữa pha lỏng và pha khí. Qua lớp màng, khí trong hỗn hợp sẽ truyền vào pha lỏng. Khi cân bằng vật liệu, thường người ta cho trước hỗn hợp khí, nồng độ đầu và nồng độ cuối của khí bị hấp thụ trong các pha. Gọi - Gy : lượng hỗn hợp khí vào thiết bị hấp thụ kmol/h - Yđ : nồng độ đầu của hỗn hợp khí, kmol/kmol khí trơ - Yc : nồng độ cuối của hỗn hợp khí, kmol/kmol khí trơ - Gx : lượng dung môi vào thiết bị hấp thụ, kmol/h - Xđ : nồng độ đầu của dung môi, kmol/kmol dung môi - Xc : nồng độ cuối của dung môi ,kmol/kmol dung môi - Gtr : lượng khí trơ, kmol/h Lượng khí trơ được xác định theo công thức: 1 푡 = × = (1 − đ) 1 + 푌đ Phương trình cân bằng vật liệu trong tháp hấp thụ: 푡(푌đ − 푌 ) = ( − đ) Lượng dung môi cần thiết: (푌đ − 푌 ) 표푙 = 푡 × , ( − đ) ℎ Lượng dung môi tối thiểu cần dung cho quá trình hấp thụ được xác định khi mà nồng độ cuối của dung môi đạt đến nồng độ cân bằng, nghĩa là: Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 18 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT (푌đ − 푌 ) 표푙 푖푛 = 푡 × , ( − đ) ℎ Với Xcb: nồng đô cân bằng ứngv ới nồng độ đầu của hỗn hợp khí. Trong quá trình hấp thụ, nồng độ cân bằng luôn lớn hơn nồng độ làm việc, vì thế lượng dung môi thực tế luôn lớn hơn lượng dung môi tối thiểu thường khoảng 20%. Nếu tính lượng dung môi theo 1kg khí trơ, ta có lượng dung môi tiêu hao riêng là: (푌 − 푌 ) 표푙 푙 = = đ , 푡 ( − đ) ℎ Nếu biểu diễn phương trình cân bằng vật liệu ở tiết diện bất kỳ của tháp ta có: 푡(푌 − 푌 ) = ( − đ) Rút ra: 푌 = × + 푌 − × đ 푡 푡 Hoặc: 푌 = + Trong đó: = 푡 = 푌 − × đ ∶ ℎằ푛𝑔 푠ố 푡 Phương trình trên được gọi là phương trình đường nồng đô làm việc cùa quá trình hấp thụ. Nếu biểu diễn trên đồ thị thì sẽ có dạng là đường thẳng có hệ số góc tan α = A, và cắt trục tung tại B. c) Ảnh hưởng của lượng dung môi đến quá trình hấp thụ Để xem xét vai trò của dung môi trong hấp thụ, ta dựa vào phương trình truyền chất chung và phương trình đường nồng độ làm việc. Theo phương trình truyền chất chung: = × 퐹 × ∆푌푡 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 19 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Trong điều kiện nhất định G là lượng khí bị hấp thụ không đổi và hệ số truyền chất ky không đổi. Do đó bề mặt tiếp xúc của pha F chỉ được thay đổi với sự tương ứng của thay đổi ∆푌푡 sao cho tích số 퐹 × ∆푌푡 là không đổi. Bề mặt F thay đổi, tức kích thước thiết bị thay đổi, lớn khi F tăng và nhỏ khi F giảm. Dựa vào đồ thị ta thấy: Khi Yđ, Yc và Xđ cố định, thì nồng độ cuối của dung môi được quyết định theo động lực trung bình ∆푌푡 tức là điểm cuối của đường làm việc AB. Điểm cuối của đường làm việc chỉ được dịch chuyển từ A đến A4. Đường làm việc BA4 cắt đường cân bằng, lúc này động lực trung bình nhỏ nhất. Đường BA gần với trục tung nên động lực trung bình là lớn nhất. Hình 1.7. Phương trình truyền chất và phương trình đường nồng độ làm việc[22] Vì 퐹 × ∆푌푡 không đổi nên ứng với đường BA4 cho F lớn nhất và ứng với đường BA cho F nhỏ nhất. Tương tự tại A4 ta có Xc lớn nhất và tại A có Xc bé nhất. Dựa vào phương trình đường nồng đô làm việc ta cũng thấy tương ứng với đường BA4 có A =tan α = bé 푡 nhất (có nghĩa là lượng dung môi bé nhất) còn ứng với đường BA có A=tan α = lớn 푡 nhất (có nghĩa là có lượng dung môi lớn nhất) Vì vậy, nếu chọn lượng dung môi ít nhất ta thu được Xc lớn nhưng thiết bị phải vô cùng cao; trái lại nếu chọn lượng dung môi lớn nhất thì thì thiết bị bé, nhưng dung Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 20 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT dịch thu được quá loãng (Xc bé). Do đó khi chọn điều kiện làm việc ta phải dựa vào chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật. d) Ảnh hưởng của nhiệt độ-áp suất đến quá trình hấp thụ Nhiệt độ và áp suất là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ mà chủ yếu ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và động lực của quá trình. Hình 1.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thụ, ảnh hưởng[22] của nhiệt độ t1 P2>P3 Từ phương trình Henry ta thấy khi nhiệt độ tăng thì hệ số Henry tăng, đường cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trục tung. Vì vậy nếu đường nồng độ làm việc AB không đổi thì động lực trung bình giảm do đó, cường độ truyền chất cũng giảm theo. Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ, ví dụ đến t3 thì không những động lực trung bình giảm mà ngay cả quá trình cũng không thực hiện được (vì đường cân bằng và đường làm việc cắt nhau nên không thể đạt được nồng độ cuối Xc). Đó là sự ảnh hưởng xấu của nhiệt độ. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng thì độ nhớt của dung dịch giảm (có lợi với trường hợp trở lực chủ yếu trong pha lỏng), vận tốc khí tăng, cường độ truyền chất cũng tăng theo đó là sự ảnh hưởng tốt của nhiệt độ. Ψ Trong trường hợp tăng áp suất, ta thấy hệ số cân bằng = sẽ giảm, do đó 푃 đường cân bằng sẽ dịch chuyển dần về phái trục hoành, tức động lực trung bình sẽ tăng quá trình truyền chất sẽ tốt hơn. Nhưng sự tăng áp suất luôn kèm với sự tăng nhiệt độ nên nó cũng gây ảnh hưởng xấu đến quá trình hấp thụ. Mặt khác, tăng áp suất cũng gây Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 21 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT khó khăn về mặt thiết bị. Do vậy, chỉ sử dụng quá trình hấp thụ ở áp suất cao đối với những khí khó hòa tan. Khi nhiệt độ tăng thì độ hòa tan, chuyển khối và khuyết tán của khí giảm. Khi áp suất giảm thì độ hòa tan cũng sẽ giảm. Vì vậy quá trình hấp thụ sẽ diễn ra ở điều kiện tốt nhất là nhiệt độ thấp và áp suất cao. 1.5. Các công nghệ làm khô khí điển hình 1.5.1. Công nghệ làm khô khí của hãng SIIRTEC NIGI 2004 Hình 1.9. Sơ đồ quy trình công nghệ của hãng SIIRTEC NIGI 2004 [5] 1.Thiết bị làm mát bằng không khí; 2.Thiết bị tách hai pha; 3.Bồn chứa Rich Glycol; 4.Tháp stripping; 5.Thiết bị giải hấp thụ; 6.Thiết bị hấp thụ nước; 7.Thiết bị trao đổi nhiệt. Dòng khí ẩm sẽ đi vào dưới đáy tháp hấp thụ, còn dòng glycol sẽ vào trên đỉnh tháp hai dòng sẽ chảy ngược chiều nhau, đi dần qua các đĩa được thiết kế bên trong tháp nhờ đó hơi nước bão hòa trong dòng khí sẽ giảm dần và ngược lại lượng hơi nước trong glycol sẽ tằng lên. Khí khô sẽ ra ngoài ở đỉnh tháp, dòng glycol ẩm sẽ ra ở đáy tháp và đi vào quy trình giải hấp. Điều đặc biệt ở quy trình công nghệ này là dòng glycol ẩm sẽ được dẫn qua một tháp Stripping để làm giảm lượng hơi nước trước, và sau đó sẽ đi vào thiết giải hấp. Dòng glycol ẩm sẽ được gia nhiệt đến nhiệt độ cao, ở 100oC thì lượng hơi nước sẽ bốc Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 22 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT hơi lên trả lại lượng glycol có nồng độ ban đầu. Chính dòng hơi nước ở 100oC này sẽ đi vào tháp Stripping để giải hấp sơ bộ, trước khi vào thiết bị giải hấp chính. Nhược điểm: quy trình công nghệ phức tạp, nhiều thiết bị nên không có hiệu quả cao về mặt kinh tế, nhưng một ưu điểm đó là nồng độ TEG sau khi qua giai đoạn giải hấp có thể lên đến 99.99%, nhưng chúng ta không cần đến nồng độ quá cao như vậy. Để lên nồng độ 99,99% thì tiêu tốn rất nhiều năng lượng để cung cấp Reboiler. 1.5.2. Công nghệ làm khô khí của hãng SIIRTEC NIGI 2006 Hình 1.10. Sơ đồ quy trình công nghệ của hãng SIIRTEC NIGI 2006 [5]. 1.Thiết bị làm mát bằng không khí; 2.Thiết bị tách hai pha; 3.Thiết bị hấp thụ nước; 4.Tháp tách hydrocarbon nặng; 5.Thiết bị giải hấp thụ; 6.Bơm; 7. Tháp stripping khí; 8.Máy giải nén Nguyên lý hoạt động của quy trình cộng nghệ này cũng tương tự như của hãng SIIRTEC NIGI 2004, dòng khí ẩm đi vào ở đáy tháp dòng glycol đi vào ở đỉnh tháp khi chảy qua các đĩa trong tháp thì hai dòng sẽ trao đổi chất với nhau, nhờ đó khí khô sẽ ra ngoài ở đỉnh tháp và glycol ẩm sẽ ra ở đáy tháp. Đặc biệt, quy trình cộng nghệ này được sử dụng khi thành phần trong khí có chứa các chất BTX, không những tách hơi ẩm trong khí, quy trình này còn tách được các BTX. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 23 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT - Chi phí vận hành thấp - Nhiệt độ điểm sương thấp - Đáp ứng các quy định nghiệm ngặt để xử lý mà không cần thiết bị bổ sung Nhưng do trong thành phần khí của mỏ Hải Thạch không chứa BTX nên ta không dung quy trình công nghệ này. Tuy chi phí vận hành thấp nhưng trong quy trình công nghệ vẫn còn nhiều thiết thị, không phù hợp với khoảng không giới hạn trên giàn. Và quy trình hệ thống của SIIRTEC NIGI phức tạp, nhiều thiết bị sẽ chiếm nhiều khoảng không trên giàn. 1.5.3. Công nghệ làm khô khí của hãng CAMERON Hình 1.11. Sơ đồ quy trình công nghệ của hãng CAMERON [8] 1.Contactor; 2.Ống dẫn glycol ẩm; 3,4.Thiết bị lọc và giảm áp; 5.Thiết bị trao đổi nhiệt; 6.Thiết bị tận dụng nhiệt; 7.Thiết bị giải hấp thụ; 8.Bơm; 9.Thiết bị trao đổi nhiệt (Dry gas/Lean glycol). Trong một quá trình khử nước bằng TEG tiêu biểu thì hàm lượng nước được tách khỏi khí gần đáy của tháp hấp thụ, sau đó dòng khí sẽ bay dần quá các đĩa phía trên đồng thời dòng glycol chảy ngược dòng xuống và nước sẽ được hấp thụ hết. Dòng khí sau khử nước sẽ đi ra trên đỉnh tháp hấp thụ, trong khi dòng glycol ẩm sẽ đi ra ở đáy tháp và chuyển qua cụm tái sinh. Dòng glycol ẩm sẽ qua thiết bị gia nhiệt Reboiler, dựa vào nhiệt độ bay hơi thì nước sẽ bay hơi trước, còn lại glycol với nồng độ như ban đầu sẽ hồi lưu lại tháp hấp thụ, bảo đảm cho sự liên tục của quá trình. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 24 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 1.5.4. Công nghệ làm khô khí của hãng SHELL Hình 1.12. Sơ đồ quy trình công nghệ của hãng SHELL [9] Trong quá trình này, dòng khí ẩm nhấp liệu ở đáy tháp, còn dòng glycol tinh khiết sẽ nhấp liệu ở đỉnh tháp, khi đó dòng glycol sẽ hấp thụ nước trong khí khi chảy ngược chiều tròng tháp hấp thụ. Dòng glycol ẩm sẽ dẫn ra ngoài ở đáy tháp, trong khi dòng khí khô sẽ ra ngoài ở đỉnh tháp để đưa vào hệ thống ống dẫn vào bờ hoặc đến các cụm xử lý khác. Sau khi rời khỏi tháp hấp thụ. Dòng glycol ẩm sẽ được dẫn qua thiết bị tách hai pha với công dụng là tách lượng hydrocarbon lẫn vào dòng glycol và làm giảm áp suất trước khi vào hệ thống giải hấp. Bước này là cần thiết vì quá trình hấp thụ được tiến hành ở áp suất cao và áp suất phải được làm giảm trước khi qua hệ thống giải hấp. Sau đó dòng glycol sẽ được gia nhiệt đến 200oC để giải hấp hoàn toàn, hơi nước sẽ bay lên và thoát ra ngoài, còn dòng glycol tinh khiết sẽ được đưa vào bồn chứa và hồi lưu tiếp tục lại tháp hấp thụ. Thiết kế đặc biệt của tháp hấp thụ, được lắp đặt thêm hệ thống tách lỏng trên đỉnh tháp và dưới đáy tháp, trên đỉnh tháp thiết bị tách lỏng có nhiệm vụ tách các giọt TEG + bị dòng khí lôi cuốn, dưới đáy tháp thiết bị tách lỏng tách các cấu tử từ C5 trở lên. Do đó, tôi sẽ áp dụng các thiết bị tách sương vào tháp hấp thụ trong đồ án này. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 25 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 1.6. Tổng quan về phần mềm Hysys 1.6.1. Giới thiệu về Hysys Hysys là phần mềm chuyên dụng dụng để tính toán và mô phỏng công nghệ được dùng cho chế biến dầu và khí, trong đó các quá trình xử lý và chế biến khí được sử dụng nhiều nhất. Hysys chạy trên Windows là phiên bản mới của Hysim, phần mềm này trước đây dùng trên hệ điều hành MS Dos. Hysys là sản phẩm của công ty Hyprotech-Canada thuộc công ty AEA Technologie Engineering Software - Hyprotech Ltd. Đây là một phần mềm có khả năng tính toán đa dạng, cho kết quả có độ chính xác cao, đồng thời cung cấp nhiều thuật toán sử dụng, trợ giúp trong quá trình tính toán công nghệ, khảo sát các thông số trong quá trình thiết kế nhà máy chế biến khí. Trong Hysys có một kho hệ thống dữ liệu rất đa dạng, bao gồm rất nhiều các chất hóa học gắn liền với các tính chất vật lý, nhiệt động học của nó. Bên cạnh đó Hysys còn sử dụng rất nhiều phương trình trạng thái khác nhau với độ chính xác cao cho phép người thiết kế có thể lựa chọn các phương trình phù hợp với các quy trình công nghệ khác nhau. Một trong những ưu điểm rất lớn của Hysys so với các phần mềm mô phỏng khác là nó có thể tính toán một cách tự động các thông số còn lại nếu chúng ta chưa thiết lập đủ thông tin cho dòng công nghệ. a) Các trạng thái mô phỏng trong Hysys Trong mô phỏng Hysys có hai trạng thái được thiết kế thích hợp với từng trạng thái sử dụng đó là: - Steady Model: sử dụng cho trạng thái tĩnh, dung trong thiết kế một quy trình công nghệ. - Dynamic Model: sử dụng cho trạng thái động, mô phỏng một quy trình công nghệ thực tế, đang vận hành ngoài nhà máy, khảo sát sự thay đổi của các thông số từ đó điều chỉnh các giá trị mong muốn bằng các thiết bị thực thi như van, bơm, thiết bị gia nhiệt, b) Các cấu trúc của Hysys Cấu trúc cơ bản của Hysys được thể hiện qua các điểm sau: - Unique Concepts: (Những khái niệm duy nhất) Mặc định cách người sử dụng xây dựng môi trường mô phỏng trên Hysys. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 26 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT - Powerful Engineering Tools: (Những công cụ thiết kế tối ưu) Quyết định cách Hysys thực hiện các phép tính toán. - Primary Interface Element: (Những yếu tố tương giao cơ sở) Được sử dụng giúp người dùng làm việc với Hysys. Chúng ta sẽ đi cụ thể từng cấu trúc để hiểu rõ hơn: Unique Concept Hysys được xây dựng trên rất nhiều khái niệm quan trọng để có thể thực hiện hiệu quả nhất quá trình mô phỏng. Hai khái niệm quan trọng nhất để quyết định đến cách thức cơ bản để người dùng sử dụng mô phỏng một quá trình trên Hysys. Những khái niệm về Flowsheet và Sub-Flowsheet - Fluid Package có những tính chất về các gói như thành phần và trạng thái - Flowsheet Object: gồm những thiết bị và dòng vật chất hay dòng năng lượng. - PFD: là mô phỏng bằng hình vẽ chỉ ra mối liên kết giữa các thiết bị và dòng vất chất hay dòng năng lượng. - Wordbook: là những kết quả mô phỏng được xuất ra dưới dạng bảng. - Property View: gồm nhiều khung thuộc tính của dòng hay thiết bị. Bên cạnh, ta còn phải biết những khái niệm về Environment Khái niệm về Environment cho phép ta xuất hay nhập những thay đổi trong một môi trường này mà môi trường khác vẫn không thay đổi như khi ta còn ở môi trường đó. Có 5 Environment trong Hysys: - Basic (Cơ bản) - Oil cheraterization (đặc trưng về dầu) - Main Flowsheet - Sub-Flowsheet - Column Mối liên liên hệ giữa các môi trường trong Hysys được thể hiện trong hình 1.13 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 27 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Simulation Basis Oil Cheracterization Environment Environment Column Main Flowsheet Flowsheet Environment Environment Environment Sub-Flowsheet Environment Hình 1.13. Mối quan hệ giữa các môi trường trong Hysys [19] Powerful Engineering Tools Hysys cho phép ta tiết kiệm nhiều thời gian khi tiến hành thao tác mô phỏng và tính toán, thông qua ba đặc điểm nổi bậc sau: - Tự động tính toán lại các thông số khi ta đưa bất cứ một thông tin mới nào vào - Khi nhập đủ thông tin cần thiết Hysys sẽ tự động tính rất nhanh - Kết quả truy xuất theo hai chiều trước và sau. Primary Interface Element Ta có các biểu tượng trên Object Palate được trình bày ở hình Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 28 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Hình 1.14. Ý nghĩa của các biểu tượng trên Object Palate [19] Các bước để tiến hành mô phỏng một quy trình công nghệ: Đầu tiên ta mở chường trình Hysys, và chọn file/new/case để bắt đầu với một mô phỏng mới hoặc có thể bấm Ctrl+N. Xuất hiện giao diện Simulation Basis Manager như hình 1.15. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 29 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Hình 1.15. Giao diện Simulation Basis Manager Trong giao diện Simulation Basis Manager có các tab thường được sử dụng là: - Component: sử dụng để nhập các cấu tử. - Fluid Pkgs: sử dụng để chọn hệ nhiệt động. - Reaction: sử dụng để thiết lập các phản ứng hóa học. Nhập các cấu tử là bước khởi tạo cơ sở trong thiết lập mô phỏng, Hysys thiết lập một kho dữ liệu cấu tử gồm các đơn chất, hợp chất, Để nhập cấu tử ta tiến hành các bước sau đây: Chọn phím Add trong giao diện Simulation Basis Manager Hình 1.16. Cách truy cập tạo cấu tử Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 30 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Sau đó, màng hình sẽ xuất hiện danh sách tất cả các cấu tử trong kho dữ liệu của Hysys. Hình 1.17. Giao diện Component List Tiếp theo chọn các cấu tử mong muốn dựa vào Sim Name, Full Name hay Formula. Sau khi đã chọn các cấu tử thoát giao diện Component List bằng cách nhấp chuột vào lúc đó giao diện sẽ trở về Simulation Basis Manager. + Trong Hysys, đối với các cấu tử C7 thì phải thực hiện khai báo cấu tử giả bằng cách sử dụng Hypothetical. Trong giao diện Component List bấm vào Hypothetical. Hình 1.18. Giao diện thiết lập cấu tử giả Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 31 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Trong giao diện thiết lập cấu tử giả, chọn Quick Create Hypo component để tạo cấu tử giả mới. Hình 1.19. Giao diện thiết lập tên và đặc điểm của cấu tử giả Trong Tab ID, đặt tên cấu tử nhấp vào Component Name. Sau đó chuyển sang Tab Critical để cung cấp thông tin cho cấu tử giả. Ở đây có các tính chất mà Hysys yêu cầu nhập như Molecular Weight, Normal Boiling Point, Ideal Liq Density ta phải nhập ít nhất một trong ba thông số trên, thông thường ta sẽ nhập Normal Boiling Point. Sau khi đã nhập tính chất mà Hysys yêu cầu ta bấm vào Estimate Unknow Props để Hysys ước tính các tính chất còn lại của các cấu tử giả. Sau cùng là bấm Add Hypo để đưa cấu tử giả vào danh sách các cấu tử cần mô phỏng. Công việc tiếp theo là ta lựa chọn gói nhiệt đông phù phù hợp với quà trình . Việc lựa chọn phương trình nhiệt động ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác của việc tính toán, mỗi quá trình hóa học thường sử dụng một phương trình nhiệt động khác nhau. Sau đây là danh sách hệ các quá trình ứng với hệ nhiệt động tương ứng được liệt kê trong bảng 1.6. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 32 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Bảng 1.6. Danh sách các hệ phương trình nhiệt động [17] Hệ tiêu biểu Hệ nhiệt động phù hợp Sấy khí bằng TEG (TEG Dehydration) PR Nước chua (Sour Gas) PR, Sour PR Xử lý khí nhiệt độ thấp (Dryogenic Gas PR, PRSV Processing) Tách khí (Air Separation) PR, PRSV Tháp chưng cất dầu thô áp suất khí PR, PR Options, GS quyển (Atm Crude Towers) Tháp chưng cất chân không (Vacuum PR, PR Options, GS, Braun K Essok Towers) Tháp tách Ethylene (Ethylene Towers) Lee Kesler Plocker Hệ H2 áp suất cao (High H2 Systems) PR, ZJ or GS Các thùng chứa (Reservoir Systems) PR, PR Option Hệ thống hơi (Steam Systems) Steam Package, CS or GS Ức chế tạo hydrat (Hydrate Inhibition) PR Các hệ hóa học (Chemical Systems) Activity Models, PRSV Alkyl hóa xúc tác HF (HF Alkylation) PRSV, NRTL Sấy khí bằng TEG có mặt các hợp chất thơm (TEG Dehyration with PR Arcomatics) Sau khi trở lại giao diện Simulation Basis Manager, ta chon tab Fluid Pkgs, sau đó sẽ xuất hiện giao diện như hình 1.20. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 33 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Hình 1.20. Giao diện hệ nhiệt động Từ giao diện trên ta bấm Add để chọn hệ nhiệt động mới trong Property Package Selection Hình 1.21. Giao diện chọn gói nhiệt động Sau khi việc lựa chọn hệ nhiệt động hoàn tất ta tắt giao diện để trở lại giao diện Simulation Basis Component, sau đó ta chọn tab Enter Simulation Enviroment để vào trườngo ô phỏng. Thiết lập các dòng và thiết bị trong hysys Dòng vật chất trong Hysys thể hiện các tính chất như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, và thành phần như phần mol, phần khối lượng, Dòng vật chất được thể hiện bằng dòng màu xanh trên Case Main Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 34 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Ta chọn dòng vật chất bằng ba cách sau đây: - Từ menu bấm chọn Flowsheet, rồi bấm chọn Add Stream hoặc bấm phím F11 trên bàn phím. - Từ Object Palatte sẽ xuất hiện các Case Main. Bấm chọn vào biểu tượng Stream trên Case Main. - Mở Workbook, chọn Material Stream và gõ tên dòng vào cột New. Sau khi tạo được dòng vật chất, sẽ hiện ra giao diện Hình 1.22. Giao diện dòng vật chất Dòng năng lượng trong Hysys cung cấp thông tin về năng lượng cho các thiết bị như bơm, máy nén, có thể hoạt động. Dòng năng lượng được thể hiện bằng dòng màu đỏ trên Case Main. Ta thiết lập dòng năng lượng tương tự như dòng vật chất bằng hai cách sau: - Từ Object Palate bấm chọn Flowsheet, chọn Palette hoặc bấm phím F4 sẽ xuất hiện Case Main. Bấm chọn biểu tượng Stream có màu đỏ. - Mở Workbook chọn Energy Stream và gõ tên Stream vào cột New Sau khi thiết lập dòng năng lượng, sẽ hiện ra giao diện như hình Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 35 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Hình 1.23. Giao diện dòng năng lượng Để hoàn thành được một quy trình công nghệ, ta bắt buộc phải có các thiết bị, Hysys hỗ trợ các thiết bị về cả hình ảnh và thông tin: Hysys được thiết kế với rất nhiều thiết bị quen thuộc không những được sử dụng trong nền công nghiệp dầu khí mà còn trong các ngành hóa học khác như tổng hợp hữu cơ hóa dầu, chất hóa học, Giống như cách thiết lập dòng vật chất và dòng năng lượng, ta có hai cách để thiết lập các thiết bị như sau: - Bấm vào biểu tượng Object Palette, xuất hiện Case Main, tại đây sẽ liệt kê các thiết bị mà ta cần. - Từ Menu, bấm chọn Flowsheet, rồi bấm chọn Add Operation hoặc bấm phím F12 trên bàn phím. Giao diện sẽ xuất hiện như hình. Hình 1.24. Giao diện chọn thiết bị Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 36 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Bên cạnh, Hysys còn có một hệ thống thuật toán hỗ trợ riêng: Trong Hysys có thiết lập có thiết lập các thuật toán logic khác nhau như Adjust, Set up, Recycle, Bảng 1.7. Các thuật toán logic trong Hysys Thuật toán Chức năng Điều chỉnh giá trị của một biến độc lập Adjust sao cho biến phụ thuộc của dòng và thiết bị đạt giá trị như mong muốn Thiết lập mối quan hệ của hai biến Set Up giống nhau của hai dòng hay hai thiết bị khác nhau Tính toán lý thuyết (bản sao) cho dòng Recycle vật liệu được tuần hoàn trở lại Trên đây là các cách tiếp cận cơ bản nhất trong Hysys để bắt đầu mô phỏng một quy trình công nghệ và khảo sát các thông số cơ bản. 1.6.2. Ứng dụng của Hysys Hysys được thiết kế với nhiều ứng dụng khác nhau, tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà người kỹ sư công nghệ hay các chuyên gia có thể lựa chọn nhằm đáp ứng đúng nhu cầu của mình. Sau đây là một số vị dụ về ứng dụng của phần mềm Hysy: Hysys.Concept: Ứng dụng vào thiết kế và bảo vệ hệ thống phân tách một cách có hiệu quả nhất. Hysys.Plant: Sử dụng các công cụ mô phỏng để đưa ra các điều kiện thuận lợi, đánh giá hoạt động của nhà máy hiện hành, trang bị các thiết bị để đạt được độ tin cậy về hoạt động an toàn và lợi nhuận cao nhất. Cải tiến thiết bị có sẵn và mở rộng quy mô vận hành. Hysys.OTS: Cung cấp quy trình hướng dẫn hoạt động, nhằm giúp người vận hành nắm bắt những quy tắc về công nghệ mức độ an toàn để vận hành hiệu quả nhất quy trình công nghệ. Hysys.RTO+: Tối ưu hiệu quả làm việc của nhà máy, chuyển đổi mô hình sản xuất, sử dụng công nghệ có sẵn và tăng lợi nhuận trong hoạt động bằng cách thay đổi công nghệ và sản phẩm. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 37 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Economix: Thu thập các dữ liệu từ mô phỏng, từ đó đánh giá các thông tin và đưa ra các quyết định về đầu tư và xây dựng một cách có hiệu quả kinh tế. Nhờ có cơ sở nhiệt động học vững chắc và đầy đủ, khả năng thiết kế linh hoạt với độ chính xác cao và tính thiết thực của các hệ nhiệt động nên Hysys cho phép thực hiện các mô hình tính toán rất gần với thực tế. Hysys là công cụ mô phỏng công nghệ mạnh phục vụ nghiên cứu, tính toán thiết kế công nghệ của các kỹ sư trên cơ sở hiểu biết về các quá trình công nghệ hóa học. Hysys đáp ứng các yêu cầu công nghệ cơ bản cho mô hình hóa và mô phỏng các quá trình công nghệ từ khai thác đến chế biến trong nhà máy xử lý khí và nhà máy làm lạnh sâu, cho đến các quá trình công nghệ lọc hóa dầu và công nghệ hóa học. Sử dụng Hysys giúp giảm chi phí cho quy trình công nghệ do có thể tối ưu các thiết bị trong dây chuyền mà vẫn đảm bảo yêu cầu về chất lượng sản phẩm. Hysys cho phép tính toán vấn đề về tận dụng nhiệt, tối ưu được vấn đề năng lượng trong quá trình sản xuất, tuần hoàn nhiên liệu nhằm tăng hiệu suất quá trình. Hysys là một phần mềm mô phỏng cho phép kiểm tra tính thực tế cao. Mô phỏng hysys cho phép đánh giá tính khả thi của một nhà máy, một dự án trước khi đưa vào áp dụng thực tế hoặc đang hoạt đông. Cho phép mô hình hóa các dây chuyển công nghệ, chạy thử trên mô hình. Ngoài ra, mô phỏng còn có thể khảo sát sự biến thiên của các thông số làm việc và chế độ hoạt động của nhà máy khi có những sự thay đổi ở bất kỳ một vị trí hoạt động nào. Qua đó nắm bắt được những thông số, biết cách điều chỉnh như thế nào cho hợp lý nhất để mang lại hiểu quả kinh tế cao nhất. Hysys là một phần mềm có khả năng tính toán đa dạng, cho kết quả với độ chính xác cao rất hữu ích trong quá trình tính toán công nghệ, khảo sát các thông số quá trình thiết kế nhà máy chế biến khí. Bên cạnh Hysys còn có khả năng tự động tính toán các thông số còn lại nếu thiết lập đủ thông tin. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 38 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Chương 2 THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.1. Yêu cầu thiết kế Do đòi hỏi một yêu cầu quan trọng là đặt trên giàn bị giới hạn về khoảng không nên quy trình mà tôi thiết kế phải gọn, ít chiếm khoảng không, thiết bị ít và đơn giản, chi phí vận hành và bão trì thấp nhưng vẫn phải bảo đảm xử lý được lượng hơi nước bão hòa trong khí phù hợp với quy định chủ đầu tư, để an toàn và dễ dàng vận chuyển khí vào bờ. Vì vậy việc lựa chọn quy trình công nghệ và hệ thống trang thiết bị được tìm hiểu và nghiên cứu kỹ lưỡng để phù hợp với mục đích trên. 2.2. Lựa chọn thiết bị, thiết kế quy trình công nghệ Trong quy trình công nghệ này việc lựa chọn các thiết bị phải phù hợp với yêu cầu thiết kế về kích thước, khối lượng và khả năng khử nước. Các thiết bị nhỏ nhưng hiệu suất cao sẽ được ưu tiên lựa chọn. Đặc biệt, thiết bị chính của quy trình đó là tháp hấp thụ nước (Contactor), các tháp hiện nay có dạng hình trụ đứng bên ngoài thì tương đối giống nhau, gồm có thân, nắp đáy và nắp đỉnh nên quan trọng là phải lựa chọn cấu trúc bên trong sao cho thiết bị nhỏ, gọn nhưng hiệu suất khử nước cao. + Do dòng khí đầu vào là khí condensate nên khả năng rất cao các cấu tử từ C5 trở lên sẽ tạo dòng condensate trong tháp nên yêu cầu một thiết bị tách condensate dạng lưới ở đáy tháp, theo thiết kế mới nhất của hãng SHELL [9] thì thiết bị tách sương dạng lưới (tách nhờ va đập) có thiết kế vừa phải, khối lượng nhẹ nhưng hiệu suất tách lỏng lại cao và an toàn, thiết bị tách thường sử dụng bộ chiết sương dạng va đập. Bộ va đập thường có dạng lưới. Khi đi qua giữa các tắm kim loại, khí bị đổi hướng nhiều lần. Dưới sự hiện diện của lực ly tâm, khi khí đổi hướng, các hạt nặng hơn bị va dập bám vào thành kim loại, tích tụ thành các giọt lỏng và rơi xuống. Mặt dưới của kim loại được tráng một lớp cách lỏng làm hạt lỏng dễ tích tụ. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 39 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Hình 2.1. Thiết bị tách sương dạng lưới [24] Bộ chiết sương dạng lưới có cấu tạo là lưới đệm (gồm nhiều lớp lưới) được hình thành từ các sợi kim loại đan vào nhau tạo ra vô số những lỗ mở - kẻ hở không đối xứng và không thẳng hàng. Hiệu quả của bộ chiết sương dạng lưới phụ thuộc vào nhiều thông số. Hiệu quả tăng khi tăng bề dày đệm lưới, giảm đường kính sợi lưới hoặc tăng độ chặt khít. Lưới thường được sử dụng có quy cách sau đây: - Đường kính sợi: 0.076-0.28 mm. - Thể tích rỗng: 92-99,4%. - Diện tích bề mặt: 164-1970 m2/m3. Lưới sợi được sử dụng rộng rãi nhất có thể tích rỗng 97-98%, khoảng 192 kg/m3, diện tích bề mặt 328-410 m2/m3, với đường kính sợi 0,28 mm. Kim loại được sử dụng để làm sợi lưới có thể là thép carbon, thép không rỉ hoặc nhôm. Đặc biệt bao gồm luôn trên đỉnh là thiết bị phân phối khí dạng valve một chiều, dòng khí có thể đi lên nhưng dòng lỏng không thể tràn vào. Phần đáy tháp đã xong, ta lựa chọn thiết bị cho phần thân tháp, cụ thể là lựa chọn loại đĩa: hiện nay có ba loại đĩa thông dụng đó là: đĩa lỗ, đĩa van và đĩa chóp. Đĩa lỗ: đĩa lỗ là một tấm thép hình tròn nằm ngang che kính toàn bộ tiết diện ngang của tháp và được đột nhiều lỗ tròn có đường kính từ 3-12 mm, các lỗ xếp theo quy luật tam giác điều. Tổng tiết diện của các lỗ chiếm 7-8% diện tích đĩa nên khả năng tiếp xúc của hai dòng tương đối kém. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 40 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Đặc điểm của đĩa lỗ: - Thiết kế đơn giản, dễ chế tạo, lau chùi cọ rửa. - Kích thước lỗ đồng nhất. - Giá thành thấp. - Áp suất đĩa thấp. - Không có khả năng khống chế điều chỉnh lưu lượng khí lên. - Dễ xảy ra hiện tượng tạo bọt. Nếu dung loại đĩa này thì tháp phải có đường kính tháp lớn để tăng diện tích tiếp xúc giữa dòng khí và dòng lỏng như vậy mới bảo đảm khả năng khử nước dẫn đến thiết bị sẽ lớn, nên đĩa lỗ không phải là lựa chọn tốt. Hình 2.2. Đĩa lỗ Đĩa van: là loại đĩa có năng hạ để điều chỉnh độ đóng mở trên đĩa nên có tính trung gian giữa đĩa lỗ và đĩa chốp. Đĩa van có dạng hình tròn hay hình chữ nhật, van loại bản có có chiều rộng 25 mm, chiều dài 120-150 mm, đường kính lỗ đĩa 10-15 mm. Đặc điểm: - Thiết kế tương đối đơn giản. - Có khả năng chia dòng khí ra nhiều hướng làm tăng khả năng tiếp xúc và khử nước. - Hạn chế được vận tốc của dòng khí đi lên. - Làm tăng diện tích tiếp xúc giữa hai pha. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 41 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Hình 2.3. Đĩa van Đĩa chóp: là đĩa cổ điển nhất, được nghiên cứu kỹ nhất và vẫn được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp. Chóp có dạng hình tròn, xung quanh có khe hở để pha khí đi lên, đường kính chóp 12-15 mm. Đặc điểm: - Làm tăng diện tích tiếp xúc của hai pha lên nhiều lần. - Thiết kế phức tạp. - Luôn có ống chảy chuyền. - Khó tẩy rửa. - Nhưng hiện đại phân bố được điều dòng khí với dòng dung môi nên khả năng khử nước sẽ tăng rất cao. Theo bài báo khoa học của Micheal W.Hlavinka, khi so sánh tháp hấp thụ được thiết kế với các loại đĩa khác nhau với điều kiện là vẫn giữ nguyên dòng đầu vào và dòng glycol thì đĩa chóp khử nước xuống còn 0.1 mg/m3 , còn đĩa valve là 0.2 mg/m3 và đĩa lỗ là 0.5 mg/m3[6] nên lựa chọn ưu tiên sẽ là đĩa chóp. Có thể nói khi sử dụng đĩa chóp thì khả năng khử nước sẽ cao nhất [18]. Điều chỉnh được vận tốc cũng như hạn chế vận tốc dẫn đến không tạo bọt, không bắn dung môi. Và phải kể đến khả năng làm việc bền vững và hiệu quả. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 42 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Hình 2.4. Đĩa chóp Kết luận: đĩa chóp sẽ được lựa chọn để thiết kế trong tháp hấp thụ nước. Và trên đỉnh tháp hấp thụ cũng có khả năng dung môi TEG cũng sẽ bị dòng khí lôi cuốn theo, do đó cũng cần có một thiết bị tách TEG dạng lưới. Song song, quy trình công nghệ cũng cần các thiết bị hỗ trợ khác như: - Một thiết bị giải hấp TEG - Một thiết bị trao đổi nhiệt - Một máy bơm - Hai thiết chứa glycol Các thiết bị này sẽ được lựa chọn cho phù hợp với quy trình công nghệ và dựa vào các thông số từ tháp hấp thụ. Quá trình lựa chọn vật liệu thích hợp để chế tạo thiết bị hóa chất là một trong những nhiệm vụ quan trọng đầu tiên của người thiết kế. Khi chọn vật liệu ta cần chú ý đến những tính chất cơ bản sau đây: tính bền cơ lý, tính bền nhiệt, tính bền hóa học, thành phần cấu trúc vật liệu, giá thành và mức độ khan hiếm của vật liệu. Để xác định vật liệu nào sẽ phù hợp với thiết bị của ta phải dựa vào điều kiện làm việc của thiết bị như: nhiệt độ, áp suất, nồng độ tính chất sẽ quyết định khả năng ứng dụng của vật liệu. Đa số các thiết bị của ngành công nghiệp nói chung và kỹ thuật hóa học nói riêng điều chú trọng vào hai loại vật liệu đó là: thép carbon và thép không gỉ [25]. Thép carbon là hợp kim của sắt và carbon, thép carbon được dung rất rộng rãi trong kỹ thuật nói chung và chế tạo máy nói riêng vì các đặc điểm sau: Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 43 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT - Rẻ, dễ kiếm không phải dung các nguyên tố hợp kim đắt tiền - Có cơ tính tổng hợp nhất định phù hợp với các điều kiện thông dụng - Có tính công nghệ tốt: dễ đúc, cán, rèn, kéo sợi, hàn, gia công cắt Bên cạnh thép carbon cũng có các hạn chế nhất định: - Tính chịu nhiệt cao kém - Không có các tính chất vật lý hóa học đặt biệt như cứng nóng, chống ăn mòn. Đối với các loại thép carbon thường chỉ ký hiệu CT1, CT2, CT3, trong đó các số chỉ hàm lượng carbon. Các chữ cái đứng đầu biểu thị phương pháp luyện thép. Ví dụ thép MCT3 có nghĩa là thép được luyện trong lò Mactanh. Thép không gỉ có khả năng chống oxy hóa và ăn mòn rất cao, là thép carbon và người tra bổ sung thêm các kim loại khác như crom, niken, molipđen, mangan, silci, titan, khi thêm các tính chất đó thì tính chất của thép thay đổi. - Niken: làm tăng độ bền, độ dẻo, tăng khả năng chịu nhiệt và độ bền hóa học. - Crôm làm tăng tính chất cơ học như chịu mái mòn và làm tăng độ bền hóa học cũng như độ bền nhiệt của thép. - Molipđen tăng độ bền cơ học và độ bền nhiệt của thép, giảm độ giòn của crôm. - Mangan tăng độ bền cơ học của thép, ảnh hưởng xấu của mangan là giảm độ giẻo của thép. Nếu tăng hàm lượng mangan đến 10-15% sẽ được thép có độ chịu va đập cao. - Silic khi hàm lượng silic lớn hơn 0,5% sẽ làm tăng độ bền cơ học, độ bền hóa học, độ bền nhiệt và chịu nhiệt, giảm độ nhớt. - Vonfram làm tăng độ cứng của thép. Các đặc tính của thép không gỉ có thể nhìn dưới góc độ so sánh với thép carbon. Về mặt chung nhất, thép không gỉ có: - Độ dẻo cao. - Độ cứng độ bền cao - Chống chịu ăn mòn tốt - Độ bền nóng cao Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 44 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Các loại thép không gỉ thường được ký hiệu bằng chữ và số, cho phép ta biết thành phần hóa học của thép. Số đứng đầu tiên bên trái chỉ rõ hàm lượng trung bình của carbon trong thép. Nếu hàm lượng carbon bé hơn hay xấp xỉ bằng 0,1% thì ta không ghi số hoặc ghi số một, nếu lớn hơn 0,1% thì ta ghi hai số để chỉ rõ hàm lượng của carbon. Còn chữ là ký hiệu cho nguyên tố bổ sung vào thép, còn số đứng sau mỗi chữ chỉ rõ hàm lượng phần tram của nguyên tố đó. Trong ký hiệu của thép các nguyên tố bổ sung được ghi bằng các chữ sau đây: H-niken, X-crôm, M-molipden, G-mangan, C-silic, T-titan, B-vonfram, F-vanađi, D- đồng. Ví dụ trong thép không gỉ X18H10T gồm có carbon bé hơn 0,1%, crôm khoảng 18%, niken khoảng 10% và titan không quá 0,1%. Bảng 2.1. Các thông số vật lý của thép carbon và thép không gỉ [25] Hệ số dẫn Chiều dày Hệ số giản Khối lượng Giới hạn Mã hiệu nhiệt, tấm thép, nở, l/độ riêng, kg/m3 bền, N/m2 W/m.độ mm CT3 11.0 7.85 50.0 380 22-40 X18H10T 16.6 7.90 16.3 520 25-40 Với các tính chất trên, tháp hấp thụ sẽ được làm từ thép không gỉ X18H10T và các chi tiết nhỏ trong tháp sẽ được làm từ thép không gỉ và thép carbon CT3. 2.3. Quy trình công nghệ làm khô khí bằng TEG Dựa trên quy trình công nghệ của hãng SHELL và các thông tin trên ta thiết kế ra quy trình công nghệ khử nước: Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 45 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 2.3.1. Điều kiện làm việc Bảng 2.2. Các điều kiện công nghệ của quá trình khử nước ĐIỀU KIỆN CÔNG NGHỆ Lưu lượng dòng khí tối đa 63923.4 kg/h 378.5 MMSCF Áp suất vận hành 42.7-62.7 barg Nhiệt độ vận hành 32-40 oC Lưu lượng dòng glycol tinh khiết 7791 kg/h 7.04 m3/h Lưu lượng dòng glycol ẩm 8238 kg/h 7.4 m3/h Lượng hoi nước bão hòa ban đầu 1000 mg/Sm3 57.24 lb/MMSCF Lượng hơi nước bão hòa sau hấp thụ 100 2.11 Nhiệt độ điểm sương yêu cầu -6oC @ 70 barg 2.3.2. Quy trình làm việc của hệ thống làm khô khí bằng TEG Dòng khí ẩm sẽ đi vào ở đáy tháp contactor (HT-V-4505), đồng thời dòng glycol sẽ đi vào ở đỉnh tháp hai dòng chảy ngược chiều nhau làm tăng quá trình truyền khối, trong tháp có chứa các đĩa để tăng khả năng truyền chất đồng thời tạo thời gian lưu để quá trình khử nước diễn ra hiệu quả hơn. Sau đó, khí khô sẽ ra khỏi tháp ở đỉnh còn dòng glycol ẩm sẽ được dẫn qua thiết bị tách (HT-V-4520) các hydrocarbon bị dòng TEG lôi cuốn theo và giảm áp dòng rich glycol trước khi vào thiết bị giải hấp (HT-V- 4530) tiếp theo dòng glycol ẩm sẽ vào thiết bị giải hấp thụ, thiết bị reboiler (HT-V-4535) sẽ gia nhiệt dòng rich glycol lên 205oC dựa trên tác động của nhiệt độ hơi nước trong glycol sẽ bay hơi và ta thu được dòng glycol nồng độ cao ban đầu, dòng Lean TEG sẽ được dẫn qua thiết bị trao đổi nhiệt (HT-V-4525) giữa dòng Wet TEG và lean glycol để tận dụng nhiệt độ cao của dòng Lean TEG, sao đó dòng Lean TEG sẽ được trữ tại bồn chứa (HT-V-4540) và được bơm (HT-V-4510) lại vào tháp hấp thụ. Do đó, quy trình công nghệ sẽ diễn ra một cách liên lục, dễ dàng tự động và với các thiết bị đơn giản, tối giản phù hợp với khoảng không hạn hẹp trên giàn khoan. Trong quy trình còn thể hiện các van tự động hóa, dựa vào lưu lượng vào ra và thông số kỹ thuật để điều khiển quá trình. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 46 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Chương 3 TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ Hiện nay có hai phương pháp để thiết kế nên quy trình công nghệ làm khô khí đó là: dùng công thức tính toán và xác định từ đồ thị: - Giản đồ McKetta và Wehe (1985). - Giản đồ Campbell (2004). - GPSA (2006) Ở đồ án này, tôi sẽ đi một hướng hoàn toàn mới, dựa vào cơ sở dữ liệu của GPSA cụ thể là các biểu đồ để tra cứu các thông số quan trọng cho việc tính toán và bên cạnh đó cũng cần tính toán các thiết bị phụ trợ. Thuận lợi của phương pháp xác định từ đồ thị là nhanh, dễ dàng tính được các thông số như mong muốn, không cần tiến hành các bước tính toán dài dòng, phức tạp nhưng độ chính xác của phương pháp dùng đồ thị lại không tuyệt đối. 3.1. Cơ sở dữ liệu của quá trình tính toán Bảng 3.1: Thành phần nguồn khí mỏ Hải Thạch [3] STT Thành phần khí % Mole 1 Metane 0.8855 2 Etane 0.0545 3 Propane 0.0294 4 i-butane 0.0068 5 n-butane 0.0088 6 i-pentane 0.0032 7 n-pentane 0.0021 8 hexane 0.0025 + 9 C7 0.0020 10 H2O 0.0020 11 N2 0.0032 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 47 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật nguồn khí [3] Nhiệt độ (oC) 38 Áp suất (kPa) 6200 kPa Lưu lượng (MMSCFD) 378.5 Tỷ trọng (kg/m3) 19.69 Dòng khí đã qua quá trinh làm ngọt khí và tách các tạp chất cơ học nên ta không xét đến thành phần H2S và CO2. Với yêu cầu hàm lượng nước trong khí khô chiếm 100 mg/Sm3 đồng thời nhiệt độ điểm sương giới hạn -6oC, thì ta tiến hành các bước tính toán sau: Bước 1: Xác định nhiệt độ điểm sương của dòng khí đầu vào, lượng hơi nước bão hòa ban đầu, từ đó sẽ xác định được nồng độ TEG. Bước 2: Có được lưu lượng dòng khí vào, ta sẽ xác định lưu lượng khí ra, lưu lượng TEG vào tháp. Bước 3: Xác định chiều cao tháp. - Xác định hiệu quả hấp thụ nước. - Xác định số mâm lý thuyết và suy ra số mâm thực tế, khoảng cách giữa các mâm. Bước 4: Xác định đường kính của tháp. Bước 5: Tính toán năng lượng cho quá trình giải hấp. 3.2. Thiết bị chính Dòng khí đầu vào ở 38oC và áp suất là 6200 kPa, ta sẽ tính lượng hơi nước bão hòa ban đầu: Gọi lượng hơi nước bão hòa ban đầu là W: Ta dựa vào biểu đồ 20-3 [15] phụ lục B, do không có giá trị của hơi nước bão hòa ở 38oC và 6200 kPa, nên ta dung công thức nội suy để tính toán. Công thức nội suy: [11, Section 20, p.20-4] − − 표 1 = 1 2 푊0 − 푊1 푊1 − 푊2 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 48 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Lượng hơi nước bão hòa tại 30oC và 6000kPa được tra tại biểu đồ 20-3 [15] 3 Suy ra: W1 = 700 mg/Sm Tương tự tra lượng hơi nước bão hòa tại 40oC và 6000 kPa 3 Ta được: W2 = 1200 mg/Sm Dung công thức nội suy: − − 표 1 = 1 2 푊0 − 푊1 푊1 − 푊2 Ta tìm lượng hơi nước bão hòa ở 38oC và 6000kPa 38 − 30 40 − 30 = 푊0 − 700 1200 − 700 8 10 = 푊0 − 700 400 3 Suy ra, W0 = 1020 mg/Sm o 3 Vậy lượng hơi nước bão hòa ở 38 C và 6000kPa là W0 = 1020 mg/Sm Ta tra lượng hơi nước bão hòa ở 30oC và 8000kPa 3 Suy ra, W1’ = 500 mg/Sm Tương tự, lượng hơi nước bão hòa ở 40oC và 8000kPa 3 Suy ra, W2’ = 900 mg/Sm Từ công thức nội suy: 38 − 30 40 − 30 = 푊0′ − 500 900 − 500 8 10 = 푊0′ − 500 400 3 Ta được, W0’ = 820 mg/Sm Áp dụng công thức nội suy một lần nửa để tính lượng hơi nước bão hòa ở 38oC và 6200 kPa. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 49 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 6200 − 6000 8000 − 6000 = 푊 − 1020 820 − 1020 200 2000 = 푊 − 1020 −200 Từ công thức trên ta được W = 1000 mg/Sm3 Vậy lượng hơi nước bão hòa lẫn trong dòng khí là 1000 mg/Sm3 Khi đã có được lượng bão hòa trong khí và áp suất của dòng khí, ta sẽ xác định nhiệt độ điểm sương của dòng khí đầu vào. Dựa vào đồ thị 20-4 [15], phụ lục A, ta sẽ xác định được nhiệt độ điểm sướng của dòng khí ban đầu: Với lượng hơi nước bão hòa đầu vào là 1000 mg/Sm3 và áp suất 6200 kPa ta xác định được nhiệt độ điểm sương là 18oC. o Ký hiệu: ds=18 C Ta sẽ xác định tỷ trọng của dòng khí để xác định áp suất tạo hydrat: Bảng 3.3. Tính tỷ trọng của dòng khí Cấu tử Thành phần mole Phân tử khối Khối lượng C1 0.8855 16.043 14.2061 C2 0.0545 30.070 1.6388 C3 0.0294 44.097 1.2965 iC4 0.0068 58.124 0.3952 nC4 0.0088 58.124 0.5115 C5 0.0032 72.167 0.2309 C6 0.0021 86.197 0.1810 C7+ 0.0025 100.227 0.2506 H2O 0.0020 17.999 0.0359 N2 0.0052 28.013 0.1457 Tổng 1 18.8922 Tỷ trọng của dòng khí đới với không khí: [15, Section 20, p.20-10] 푠 훾 = 푖 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 50 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 18.8922 = 28.964 = 0.653 Dựa vào đồ thị 20-5 [15], phụ lục C, với tỷ trọng là 0.653 và nhiệt độ tạo hydrat là 18oC ta xác định được áp suất tạo huydrat là sấp xĩ 8000 kPa. Sau đó, ta tính toán hiệu quả khử nước: [15, Section 20, p.20-33] 푊 − 푊 ∆푊 = 푖푛 표 푡 푊 푖푛 1000 − 100 = 1000 = 0.9 Với lượng hơi nước bão hòa được tách ra là 90% ta tra đồ thị 20-6 ÷ 20-10 [15], phụ lục D, thì nồng độ phù hợp của TEG là 99%. Cũng dựa vào biểu đồ 20-8 ta được tại nồng độ TEG là 99%, ta thấy với lượng TEG để khử được 1 kg nước là 0.03 m3 TEG tương đương với 30 lite TEG/ kg nước. Tiếp theo ta đi xác định các thông số của tháp hập thụ. Vận tốc của dòng khí được tính theo công thức Sounder-Brown: [11, Setion 20, p.20-33] 0.5 = [휌푣(휌퐿 − 휌푣)] = 176 × √ [38.09 × (1107 − 38.09)] 𝑔 = 35513 2. ℎ Ta tính tiết diện của tháp: [11, Section 20, p.20-33] Trong đó: m: lưu lượng của dòng khí (kg/h) và m = 378.5 MMSCFD = 63923.4 kg/h. = 63923.4 = 33513 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 51 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT = 1.8 Đường kính của tháp hấp thụ: [11, Section 20, p.20-33] 4 0.5 = ( ) 4 × 1.8 0.5 = ( ) = 1.52 m Vậy đường kính của tháp là: 1.52 m = 1520 mm Dựa vào đường kính D = 1520 mm ta tra trong Sổ tay quá trình thiết bị - tập 2 để xác định số đĩa lý thuyết và khoảng cách giữa các đĩa: Ta tra bảng 3.3: Quan hệ giữa đường kính và khoảng cách giữa các đĩa chóp làm bằng đồng: Bảng 3.4. Quan hệ giữa đường kính và khoảng cách giữa các đĩa chóp [13] Đường kính tháp, mm 500 600 700 800 900 1000 1200 1400 1500 1600 1800 2000 Khoảng cách giữa 500 600 500 600 600 650 700 các đĩa, Hđ mm Khoảng cách giữa hai mặt bích, mm 850 800 850 1190 1000 1200 1190 1700 1000 1200 2000 1200 1680 1000 1200 1200 Số đĩa giữa hai 5 7 4 5 6 5 7 10 5 6 8 5 7 5 6 5 bich. Từ bảng trên ta được các thông số quan trọng của tháp hấp thụ (Contactor): - Số đĩa trong tháp: 8 đĩa - Khoảng cách giữa hai mặt bích: 2000 mm. - Khoảng cách giữa các đĩa: 600 mm Do yêu cầu thiết kế là phải thêm một thiết bị tách condensate dưới đáy tháp và một thiết bị tách TEG bị dòng khí lôi cuốn nên chiều cao của tháp sẽ tăng lên. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 52 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Thiết bị tách condensate dưới đáy tháp: Thiết kế của hang SHELL có chiều cao là 1200 mm, bằng hai lần khoảng cách giữa các đĩa. Màng tách TEG trên đỉnh tháp: có kích thước bằng với khoảng cách giữa các đĩa cho phù hợp với tháp, tức là màng tách này có chiều cao là 600 mm Chiều cao của tháp: = 푡푡 × + ℎ + + 표푛 Trong đó: - d : khoảng cách giữa các đĩa (m) - h : chiều cao vòm đỉnh và đáy = 8 × 0.6 + 1.2 + 1.2 + 0.6 = 7,8 m Vậy chiều cao của tháp là 7,8 m. Dựa vào áp suất làm việc ta chọn được chiều dày của thân tháp theo bảng 3.5. Bảng 3.5. Xác định chiều dày thân tháp thông qua chiều cao và áp suất [21] Chiều cao của Vật liệu làm thiết Áp suất trong Chiều dày thân thân tháp, mm bị tháp, kPa tháp, mm 6000 CT3 Thép 15 6100 CT3 Thép 17 6200 CT3 Thép 19 6300 CT3 Thép 21 4000 6400 CT3 Thép 23 6500 CT3 Thép 25 6600 CT3 Thép 27 6700 CT3 Thép 30 6800 CT3 Thép 30 6900 CT3 Thép 31 7000 CT3 Thép 32 7100 CT3 Thép 33 5000 7200 CT3 Thép 34 7300 CT3 Thép 35 7400 CT3 Thép 36 7500 CT3 Thép 37 7600 CT3 Thép 38 6000 7700 CT3 Thép 39 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 53 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 7800 CT3 Thép 40 7900 CT3 Thép 42 8000 CT3 Thép 44 8100 CT3 Thép 46 8200 CT3 Thép 49 8300 CT3 Thép 51 8400 CT3 Thép 54 7000 8500 CT3 Thép 60 Với chiều cao của thân tháp là gần 7800 mm ta chọn chiều dày cùa thân là 40 mm. Tóm tắt các thông số của tháp Contactor: Bảng 3.6. Thông số cơ bản của tháp Contactor Chiều cao thân, mm 4800 Chiều cao hai nấp, mm 1200 Chiều dày thân tháp, mm 41 Đường kính trong của tháp, mm 1539 Đường kính ngoài của tháp, mm 1580 Khoảng cách giữa các đĩa, mm 600 Chiều dày của lưới tách TEG, mm 600 Chiều cao thiết bị tách condensate, mm 1200 Dựa vào nhiệt độ điểm sương lúc sau là -6oC (để có được điểm sương thực tế phải lấy nhiệt đô điểm sương yêu cầu trừ them cho 10oC nên nhiệt độ điểm sương lý thuyết là -16oC), và nhiệt độ làm việc của tháp là 38oC, và nồng độ TEG 99% đã tính được ở trên ta sẽ xác định lưu lượng TEG lý thuyết vào tháp hấp thụ. Lượng nước tách ra từ dòng khí 퐹. (푊 − 푊 ) 푊 = 1 2 24 30. (1000 − 100) 푊 = 24 W = 112,5 kg/h Lưu lượng thể tích TEG tưới vào tháp: Gọi G là lưu lượng thể tích TEG 99%: Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 54 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Bảo toàn vật chất: G.99%=(W+G).80,65% 0,1835.G=900.0,8065 G=3955 kg/m3 Khối lượng riêng của TEG 80,65% 80,65 = 1118 × 0.8065 + 1000 × 0.1935 = 1095,167 kg/m3 Lưu lượng thể tích TEG 80,65% = 80,65 3955 = 1095 = 3,62 3/ 3.2. Thiết bị giải hấp thụ Tính yêu cầu năng lượng cung cấp cho Reboiler thu hồi TEG ở đây ta sẽ tính cho 1 m3 TEG, rồi sao đó quy ra năng lượngcu ng cấp cho quy trình công nghệ. Nhiệt lượng cần cho dòng TEG từ 150oC lên 200oC 푄푠 = × × ∆ = 1114 × 2,784 × (205 − 105) = 310137.6 J/m3 Nhiệt lượng cần để bay hơi nước 푄푣 = ∆ 푣 × ∆푊 1 = 2260 × 0,025 = 90 000 kJ/m3 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 55 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ, biết tỷ số hoàn lưu là 25% 푄 = 0.25 × 푄푣 = 0.25 × 90 000 = 22500 kJ/m3 Tông lượng nhiệt cần thiết 푄 = 푄푠 + 푄푣 + 푄 = 31013 + 90000 + 22500 = 143513 kJ/m3 Lượng nhiệt thất thoát ra môi trường nên ta bù trừ thêm 10% 3 푄 = 143513 × 1,1 = 157864,3 kJ/m Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 56 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Chương 4 MÔ PHỎNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 4.1. Cơ sở dữ liệu của quá trình mô phỏng Dòng Wet Gas: là dòng chúng ta sẽ khai báo các cấu tử có trong nguồn khí, được thiết kế bao gồm các đồng đẳng của metan từ C1 đến C10, C7+, H2O có cả khí trơ N2, chúng ta khai báo thêm thành phần phần mol cho các cấu tử của dòng khí. Hình 4.1. Khai báo các cấu tử và phần mol của cấu tử Bên cạnh, chúng ta bổ sung các thông số về nhiệt độ, áp suất, lưu lượng dòng khí: Thông số kỹ thuật của dòng khí: - Nhiệt độ: 38oC - Áp suất: 6200 kPa - Lưu lượng dòng khí : 378.5 MMSCFD Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 57 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Hình 4.2. Khai báo các thông số kỹ thuật của dòng khí Khi đã được nghĩa xong, dòng mới tạo sẽ chuyển sang màu xanh lam đậm và có chữ “OK”. Chúng ta tiến hành bước tiếp theo. Còn đối với dòng Feed TEG với các thông số kỹ như sau: Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật của dòng Feed TEG Name Feed TEG Nhiệt độ 38oC Áp suất 6200 kPa Lưu lượng Phần mol các cấu tử H2O 0.01 TEG 0.99 Tháp hấpp thụ (Contactor) Ta nhập các giá trị cho tháp hấp thụ Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật của tháp Contactor Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 58 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT CONTACTOR Thông số kỹ thuật Giá trị Số đĩa 8 Nhiệt độ vận hành 38oC Áp suất vận hành 6190 kPa Lưu lượng khí vào 378.5 MMSCFD Lưu lượng TEG vào 3.85 kgmol/h Van Chênh lệch áp suất giữa hai dòng là 5000 kPa. Hình 4.3. Sự chênh lệch áp suất qua van Thiết bị trao đổi nhiệt (Heat Exchange) - Chênh lệch áp suất ở Tubeside: 70 kPa - Chệnh lệch áp suất ở Shellside: 70 kPa Hình 4.4. Sự chênh lệch áp suất của thiết bị trao đổi nhiệt Tháp giải hấp thụ (Regenerator) Bảng 4.3. Thông số của tháp giải hấp thụ Thông số công nghệ Regenerator Số đĩa 1 Cách hoạt động của Condensate Hồi lưu toàn bộ Áp suất tại condensate 101 kPa Áp suất tại Reboiler 103 kPa Nhiệt độ tại condensate 102 oC Nhiệt độ tại Reboiler 205 oC Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 59 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 4.2. Mô phỏng và kết quả quy trình công nghệ làm khô khí ng TEG ng ằ làm làm khô b khí ệ ngtrình quy ngh công ỏ mô ph mô ồ Sơ đ Sơ Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 60 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Để đánh giá quy trình được thiết kế trên Hysys có phù hợp và két quả có đúng với quá trình tính toán cũng như của chủ đầu tư yêu cầu hay không, ta tiến hành một số so sánh: Hình 4.5. So sánh giữa dòng TEG trước và sau giải hấp Lượng nước được tách ra: 669,4077 – 26,6787 = 642,729 kg/h Nồng độ TEG được hoàn nguyên từ 80,79% lên 99,00%, đảm bảo nồng độ TEG có thể hồi lưu về tháp Contactor. Chệnh lệch áp suất trong áp: 113 – 103 = 10 kPa Hình 4.6. So sánh giữa dòng Wet Gas và Dry Gas Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 61 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Bảng 4.4. So sánh giữa dòng Wet Gas và Dry Gas Thông số công nghệ Wet Gas Dry Gas Nhiệt độ điểm sương, oC 17 -16 Lưu lượng, MMSCFD 378.5 377.8 Áp suất, kPa 6200 6190 Hàm lượng nước tự do, % 0.0019 0.001 Hình 4.7. So sánh về số liệu của dòng Feed TEG và Rich TEG Bảng 4.5. So sánh giữa Feed TEG, Rich TEG và Lean TEG Thông số công nghệ Feed TEG Rich TEG Lean TEG Nồng độ, % 99.00 80.64 99.00 Lưu lượng, MMSCFD 0.402 1.116 0.4017 Nhiệt độ, oC 38 39 205 Áp suất, kPa 6200 6200 103 Tính lưu lượng nước được tách ra: 1.116 – 0.4017 = 0.7143 m3/h Dựa vào công cụ ta sẽ xác định được nhiệt độ tạo hydrat của dòng khí đầu vào: là 17.43oC. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 62 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Hình 4.8. Xác định nhiệt độ điểm sương dòng Wet Gas Kết quả cuối củng là ta so sánh giữa nhiệt đô điểm sương tính toán và mô phỏng Bảng 4.6. So sánh giữa nhiệt độ tạo hydrat lý thuyết và mô phỏng Lý Số liệu Yêu cầu Sai số thuyết Nhiệt độ tạo hydrat đầu, oC 17 18 1 Nhiệt độ tạo hydrat sau, oC 1 -6 7 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 63 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Hình 4.9. Nhiệt độ tạo hydrat của dòng Dry Gas Kết quả mô phỏng, quy trình công nghệ khử nước mới chỉ đạt đến nhiệt độ điểm sương là 1oC, do đó trong quá trình tính toán và thiết kế đã xảy ra sai sót hay các tiêu chuẩn tính toán đã không đạt yêu cầu. Do nhiệt độ tạo hydrat chưa đạt yêu cầu đề ra, nên ta khảo sát các thông số ban đầu để đề ra cách khắc phục 4.3. Khảo sát kết quả mô phỏng Bảng 4.7. Khảo sát lưu lượng TEG và nhiệt độ điểm sương sau hấp thụ Nhiệt độ tạo Lưu lượng Lean hydrat của Dry TEG (MMSCFD) Gas (oC) 0.3 4.3 0.4 1.1 0.5 -1.5 0.6 -2.8 0.7 -3.4 0.8 -3.6 0.9 -3.7 1 -3.7 1.1 -3.7 1.2 -3.7 Có thể khắc phục về việc hạ nhiệt độ tạo hydrat bằng các tăng lưu lượng dòng TEG, nhưng hạ nhiệt độ sau nhất cũng chỉ là -3.7oC. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 64 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT KẾT LUẬN Sau hơn 4 tháng thực hiện luận văn “Thiết kế quy trình hệ thống làm khô khí trên giàn Hải Thạch” đã giải quyết được một số vấn đề chính như sau: Về lý thuyết - Tìm hiểu thông tin về giàn Hải Thạch, các công nghệ được ứng dụng trên giàn và ý nghĩa to lớn của giàn Hải Thạch về kinh tế. - Các phương pháp hiệu quả về kinh tế cũng như về hiệu suất được áp dụng để khử nước. - Đi sâu vào cơ sở lý thuyết của quá trình hấp thụ, cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình hấp thụ. Về mô phỏng - Tìm hiểu về phần mềm Hysys và ứng dụng của Hysys trong hóa học. - Mô phỏng thành công quy trình công nghệ khử nước trên giàn Hải Thạch. Về tính toán - Tôi chỉ đơn thuần tính được các thông số cơ bản của tháp hấp thụ, chưa đi sau vào tính toán cho từng thiết bị cụ thể trong quy trình công nghệ. Nên nếu có thể, các bạn sinh viên năm sau có thể lấy đây là một tài liệu tham khảo về phần lý thuyết sau đó tiếp tục tính toán và đưa đến hoàn thiện quy trình công nghệ này. - Tính toán tháp: Chiều cao thân, mm 4800 Chiều cao hai nấp, mm 1200 Chiều dày thân tháp, mm 41 Đường kính trong của tháp, mm 1539 Đường kính ngoài của tháp, mm 1580 Khoảng cách giữa các đĩa, mm 600 Chiều dày của lưới tách TEG, mm 600 Chiều cao thiết bị tách condensate, mm 1200 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 65 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT - Kết quả mô phỏng: Số liệu Lý thuyết Yêu cầu Sai số Nhiệt độ tạo hydrat đầu, oC 17 18 1 Nhiệt độ tạo hydrat sau, oC 1 -6 -7 Đồ án này tuy không đi sau vào tính toán và kết quả cũng chưa đạt yêu cầu đặt ra trước đó, nhưng qua đồ án này giúp tôi đi trên con đường ôn tập lại tất các kiến thức từ các môn học đã được học: - Hóa lý: tổng quan về hấp thụ, hấp thụ, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ. - Quá trình thiết bị: vật liệu làm thiết bị và máy, tính toán các thông số của tháp hấp thụ. - Công nghệ chế biến khí: phân tích đánh giá các quy trình công nghệ hiện thời, cấu trúc hydrat, tính toán các thông số quá trình hấp thụ. - Vẽ kỹ thuật Cad: hoàn thành được bản vẽ chi tiết thiết bị chính và sơ đồ quy trình công nghệ làm khô khí bằng TEG. - Mô phỏng Hysys: mô phỏng được quy trình đã thiết kế và khảo sát, đánh giá các thông số của quá trình. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 66 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. K.Govindarajan, Gas Dehydration and Glycol Regeneration Package- Process, Bien Dong Petroleum Operation Company, 2011. [2]. K. Govindarajan, Gas Dehydration and Glycol Regeneration Package- Equipment, Bien Dong Petroleum Operation Company, 2011. [3]. K.Govindarajan, Basic Design of Hai Thach Platforms - Untility, Bien Dong Petroleum Operation Company, 2011. [4]. K.Govindarajan, Process Description of Gas Dehydration and Glycol Regeneration Package, Bien Dong Petroleum Company, 2011. [5]. Henriette Hansen, Design of TEG Dehydration Train Model Using the Glycol in Hysys, Aalborg University, 2013. [6]. Vincente N.Hernandez-Valencia; Micheal W.Hlavinka, Design Glycol Units for Maximum Efficiency, Bryan Research & Engineering, 2006. [7]. Anyadiegwe; Anthony Kerunma; Patrick Oviawele, Natural Gas Dehydration Using Triethylene Glycol, Fedaral University of Technology, 2014. [8]. Kh. Mohamadbeigy, Studying of the Effetiveness Parameters on Gas Dehydration Plant, Research Institute of Petroleum Industry Tehran, 2008. [9]. Nmegbu Chukwama Godwin Jacob, Optimization of Triethylene Glycol Dehydration in a Natural Gas Processing Plant, River Stage University of Science and technology, 2014. [10]. Karl Kolmetz, Engineering Design Guieline: Gas Dehydration, KLM Technology Group, 2012. [11]. J.P. Nivarrgi; D.F. Gupta; S. J. Shaikh; K. T. Shah, TEG Contactor for Gas Dehydration, 2014. [12]. Mohammed Rashnur Rahman, N. M. Aftabul Alam Bhuiya, Theoretical Sizing & Design of the Equipment os a 40 MMSCFD Natural Gas Processing Plant based on the Operation Condition of Titas Gas Field, Petroleum & Mining Engineering, 201 [13]. Chalre R. Perry, How to Design Glycol Dehydration for Dew-Point Depression, The Oil and Gas Journal, 1960. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 67 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT [14]. Martina F. Baidoo; Kristin S. Snarvold; Thea W. Brodtkorb, Process Design and Economical Investidation of Natural Gas Dehydration Plants, NTNU Company, 2011. [15]. Ron Brunner; Ron Cannon; Robert Maddox, Gas Processors Supplies Association (GPSA), Gas Processing Association Company, 2012. [16]. Honeywell, Reading, Understanding and Using P&ID, PFDS, Petrovietnam Manpower Training College, 2013. [17]. Nguyễn Hữu Phú, Hóa Lý & Hóa Keo, Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật, 2006. [18]. Nguyễn Thị Minh Hiền, Công nghệ chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành, Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật, 2002. [19]. Nguyễn Thị Minh Hiền, Mô phỏng trong công nghệ hóa học, Nhà xuất bản Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2006. [20]. Nguyễn Bin và các tác giả, Sổ tay quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất-tập 1, Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật, 2006. [21]. Nguyễn Bin và các tác giả, Sổ tay quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất-tập 2, Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật, 2006. [22]. Nguyễn Bin, Các quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm- phân riêng dưới tác dụng của nhiệt, Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật, 2008. [22]. Hoàng Trọng Quang; Hà Quốc Việt, Công nghệ xử lý khí-làm khô khí bằng glycol, Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật, 2014. [23]. Nguyễn Vĩnh Khánh, Công nghệ xử lý khí & Hydrat, Nhà xuất bản Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, 2012. [24]. Huỳnh Ngọc Hiếu, Thiết bị tách dầu khí, Nhà xuất bản Khoa học & Công nghệ, 2006. [25]. Trương Văn Chinh, Vật Liệu cơ khí, Nhà xuất bản Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, 2006. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 68 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT PHỤ LỤC Phụ lục A. Đồ thị xác định áp nhiệt độ điểm sương của dòng khí Phụ lục B. Đồ thị xác định lượng hơi nước bão hòa lẫn trong khí Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 69 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Phụ lục C. Đồ thị xác định áp suất tạo hydrat Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 70 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Phụ lục D. Đồ thị xác định bậc tự do Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 71 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 72 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Phụ lục E. Đồ thị xác định nồng độ TEG phù hợp Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 73 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Phụ lục F. Các hệ đơn vị đo và quan hệ giữa chúng ĐƠN VỊ ĐO ÁP SUẤT Áp suất là lực tác dụng lên một đơn vị diện tích. 1 Pa = 1 N/m2 = 0.0075 mmHg 1 lbf/in2 = psi = 6895 Pa MPa = 106 Pa = 10,197 kG/cm2 Trong hệ đơn vị Anh Mỹ, người ta them “a” vào đơn vị đo áp suất để biểu diễn áp suất tuyệt đối, ví dụ: psia. 1 bar = 100 kPa = 14,50 psi = 0,987 atm = 750 mmHg = 100 000 N/m2 1 atm = 14,696 psi = 101,325 kPa 1 psia = 6895 Pa = 6,895 kPa. Áp suất chuẩn là áp suất tuyệt đối bằng 1 atm: còn gọi là atmophe chuẩn (hay atmophe vật lý) 1 atm = 1,01325 bar = 1,0332 at = 760 mmHg = 10,33 mH2O ĐƠN VỊ ĐO NHIỆT ĐỘ oC = 0,556*(oF-32) oF = (1,8)*(oC) +32 K = oC + 273 oR = oF +460 ĐƠN VỊ ĐO KHỐI LƯỢNG 1 kg = 2,205 lb = 1000 g 1 tấn = 1000 kg = 2205 lbm 1 lb = 0,454 kg = 454 g ĐƠN VỊ CÔNG SUẤT Đơn vị công suất là công suất của một đơn vị công sản sinh ra trong một đơn vị thời gian. W = 1.0 J/s 1,0 kW = 3600 kJ/h = 1.34 hp 1,0 hp (mã lực) = 550 ft.lbf/s 1,0 hp = 0.746 kW = 2686 kJ/h ĐƠN VỊ ĐO ĐỘ DÀI 1 m = 3,281 ft = 39,37 inch = 100 cm = 1000 mm 1 ft = 0.305 m = 12 inch = 30,5 cm = 305 mm Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 74 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 1 mile = 1,16 km 1 km = 0,621 mile ĐƠN VỊ ĐO THỂ TÍCH 1 m3 = 35.31 ft3 = 6,29 bll = 1000 lít 1 lít = 0.001 m3 = 1000 cm3 = 0,035 ft3 = 61 in3 1 ft3 = 0,0283 m3 = 28,3 lít 1 bbl (API) = 0,159 m3 = 159 lít = 5,61 ft3 ĐƠN VỊ ĐO TỶ TRỌNG 1 kg/m3 = 0,001 g/cm3 = 0,0624 lb/ft3 1 lb/ft3 = 16,02 kg/m3 = 0,01602 g/cm3 1 g/cm3 = 1 kg/l = 1000 kg/m3 = 62,4 lb/ft3 ĐƠN VỊ ĐO THỂ TÍCH 1 m2 = 10 000 cm2 = 10,76 ft2 = 1549 in2 1 ha = 10 000 m2 = 2.47 acres 1 acres = 0,405 ha 1 mile2 = 2,59 km2 = 159 ha ĐƠN VỊ ĐO NĂNG LƯỢNG 1,0 Btu = 1,055 kJ = 778 ft.lbf 1,0 hp = 2545 Btu/h = 2686 kJ/h 1 kW = 3600 kJ/h = 3412 Btu Năng lượng cho một đơn vị khối lượng được tính bằng kJ/kg hoặc Btu/lbm 1,0 Btu/lbm = 2326 kJ/kg = 6.46.10-4 (kW.h)/kg CÁC ĐƠN VỊ TRONG HỆ MÉT (HỆ SI) Bar = 100 000 N/m2 = 100 000 Pa = 100 kPa = 1,02 kG/cm2 Điều kiện tiêu chuẩn: T =15oC = 288 K và P = 100 kPa 1 000 000 m3 = 106 m3 = 41 740 kmol Tỷ trọng của không khí ở điều kiện tiêu chuẩn bằng 1,21 kg/m3 1 m3 = 1 000 lít; 1 cm3 = 1 ml; 1 lít = 1 000 cm3 1 g/cm3 = 1 000 kg/m3 Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 75 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT CÁC ĐƠN VỊ TRONG HỆ ANH Điều kiện tiêu chuẩn: T = 60oF = 520oR và P = 14,7 psi 1 000 000 std cu ft = 1 MMscf = 2636 lb.mol Tỷ trọng của không khí ở điều kiện tiêu chuẩn bằng 0.0764 lb/ft3 1 ft3 = 7.48 US gal = 6.23 UK gal 1 bbl = 42 US gal = 35 UK gal = 5,61 ft3 CHUYỂN ĐỔI GIỮA CÁC ĐƠN VỊ 1 std ft3 (@ 60oF và 14,7 psi) = 0,0286 std m3 (@ 15oC và 100 kPa) 1 std m3 ( 15oC và 100 kPa) = 34,92 std ft3 (@ 60oC và 14,7 psi) 1 bbl = 159 lít = 0,159 m3 1 m3 = 35,31 ft3 lỏng = 264 US gal = 220 UK gal = 6,29 bbl 1 lít = 0,264 US gal = 0,22 UK gal = 0,03531 ft3 Khí Lỏng Kmol/h = 1739 (106 std m3/ngày) Kmol/h = 41,7 (m3/ngày) Kg/h = 50 372 (106 std m3/ngày) Kg/h = 41,7 (m3/ngày) = 1739 (106 std m3/ngày) Lb.mol/h = 110 (MMscf/ngày) Lb.mol/h = 14,6 (API bbl/ngày) Lb/h = 3178 (MMscf/ngày) Lb/h = 14,6 (API bbl/ngày) = 110 (MMscf/ngày) [theo khối lượng] Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 76 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm