ứng dụng hysys để mô phỏng chọn lựa phương pháp xử lý khí chua co2 h2s bằng amin cho nhà máy xử lý chế biến khí ở thềm lục địa nam việt nam

Tuy nhiên để sử dụng khí đốt tự nhiên làm nhiên liệu và tận dụng được tối đa công suất của nó, một số tạp chất như nước, CO2, H2S, N2, thủy ngân, mercaptans methanethiol và ethanethiol v

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ỨNG DỤNG HYSYS ĐỂ MÔ PHỎNG, CHỌN LỰA PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ CHUA (CO2, H2S) BẰNG AMIN CHO NHÀ MÁY XỬ LÝ, CHẾ BIẾN KHÍ Ở THỀM LỤC ĐỊA NAM

NỘI DUNG

Tổng Quan Tình

Tổng Quan Tình Hình Nghiên Cứu

1

Khí đốt tự nhiên gần đây đã trở thành nguồn năng lượng cung cấp chính trên thế giới.

Tuy nhiên để sử dụng khí đốt tự nhiên làm nhiên liệu và tận dụng được tối

đa công suất của nó, một số tạp chất như nước, CO2, H2S, N2, thủy ngân, mercaptans (methanethiol và ethanethiol) và các hợp chất sunfdie khác cần phải được loại bỏ hoàn toàn hoặc một phần.

Phương pháp hấp thụ hoá học khí chua bằng amin được phát triển và sử dụng rộng rãi trong ngành hoá dầu và công nghiệp hoá chất vào năm 1930 Các loại amin phổ biến nhất được sử dụng cho quá trình loại bỏ khí axit:

MDEA có một số ưu điểm so với các amin MEA và DEA như:

- Yêu cầu năng lượng thấp hơn

- Áp suất hơi thấp hơn

- Nhiệt phản ứng thấp hơn

- Độ ổn định tốt

- ít vấn đề ăn mòn hơn…

Ngày nay, do quy định về môi trường ngày càng nghiêm ngặt về khí thải từ các nhà máy xử lý khí đốt tự nhiên cũng như nhu cầu về sản phẩm thị trường ngày càng cao, quá trình làm ngọt khí bằng dung dịch MDEA cần phải cải tiến

và tối ưu loại bỏ được lượng khí CO2 còn tồn tại trong nguồn nguyên liệu đầu vào của khí đốt tự nhiên.

Để tăng tốc độ phản ứng của MDEA với CO2, một số nghiên cứu về việc trộn thêm các amin bậc một hoặc bậc hai như MEA và DEA vào dung dịch MDEA để tạo thành hỗn hợp các amin.

“The Use of MDEA and

Mixtures of Amines for

Bulk CO2 Removal”, 1990

“Carbon Dioxide Absorption/Desorption Kinetics

in Blended Amines”, 1994

“Natural gas sweetening process simulation and optimization: A case study of Khurmala field in Iraqi Kurdistan region”, 2013

“Simulation and Optimization of Gas Sweetening Process at Mellitah Gas Plant Using Different Blends of Amines”, 2017

Bullin J.A., Polasek J.C.,

Donnelly S.T

Mshewa and Rochelle

R.K Abdulrahman, I.M Sebastine

Najib Meftah Omar

Đặc điểm khí của thềm lục địa phía Nam Việt Nam

Hình 1: Thành phần khí ở Malay-Thổ Chu (% theo thể tích) [5]

Hình 2: Thành phần khí ở bể Nam Côn Sơn (% theo thể tích) [5]

Cơ Sở Lý Thuyết

2

Khí tự nhiên là nhiên liệu hóa thạch Nó được hình thành từ tàn tích của thực vật và động vật cổ xưa bị chôn vùi và chịu nhiệt độ và áp suất trong hàng triệu năm Thành phần chủ yếu bao gồm khí metan (chiếm 80-99% theo thể tích) và một lượng nhỏ hydrocacbon khác, chẳng hạn như etan, propan và butan (normal và iso) Ngoài ra còn có một số tạp chất khác như bụi, hơi nước, các khí trơ CO2, H2S và các hợp chất hữu cơ lưu huỳnh

Khí tự nhiên là gì?

- Khí khô: là khí khai thác được từ các mỏ khí chưa qua xử lý, ngoài thành chính là các

hydrocacbon (chứa tỷ lệ khí metan cao trong thành phần), khí thô còn chứa các hợp chất khác bao gồm cả hợp chất có lợi và có hại

- Khí ướt: là loại khí đốt tự nhiên có chứa tỷ lệ carbohydrate nhóm ankan cao hơn khí khô bao gồm: etan, butan và propan

- Khí ngọt: là khí có hàm lượng H2S < 1% thể tích và hàm lượng CO2< 2% thể tích

- Khí chua: là khí có hàm lượng H2S > 1% thể tích và hàm lượng CO2 > 2% thể tích

Phân loại khí thiên nhiên

Sản phẩm

Sự có mặt của các tạp chất như bụi, hơi nước, các khí trơ, CO2, H2S và các hợp chất hữu cơ lưu huỳnh:

- Gây rất nhiều khó khăn trong quá trình vận chuyển,

- Làm ăn mòn, làm hư hại các thiết bị

- Có thể giảm giá trị của sản phẩm.

Do đó trước khi được đưa vào khâu chế biến cần phải được tiến hành loại bỏ các tạp chất trên bằng cách tách bụi, tách hơi nước và khí axit

Chúng dễ bị phân hủy nhiệt hoặc tương tác với H2 tạo thành khí H2S là khí có tính ăn mòn rất lớn, dễ cháy nổ trong phạm vi rộng, là chất không màu trứng thối rất khó chịu và chúng làm ăn mòn các thiết bị dầu khí Dầu chứa hơn 1% lưu huỳnh được coi là dầu ăn mòn Đặc biệt hàm lượng H2S trong khí đạt tới 700ppm, có thể gây chết người Do đó trong quá trình vận chuyển ta cần phải hết sức quan đến sự an toàn thiết bị, đề phòng rò rỉ khí.

Nồng độ khí CO2 cao làm giảm năng lượng được tạo ra khi đốt khí tự nhiên làm giảm giá trị thương mại vì nó sẽ làm đóng băng trước khi khí hóa lỏng gây tắc nghẽn dòng chảy và các vấn

đề vận hành khác Ngoài ra nó còn có tính ăn mòn…

Tuy nhiên, ngoài các tác hại của khí chua gây ra, các nhà máy đã tận dụng triệt để nguồn nhiên liệu này, do đó chúng cũng được ứng dụng được trong công nghiệp chế biến:

- H2S là nguồn nhiên liệu quan trọng để sản xuất lưu huỳnh nguyên chất và axit Sunfuaric

- CO2 cũng là nguyên liệu được dùng nhiều trong công nghiệp chế biến thực phẩm, công nghiệp hóa chất, trong nông nghiệp và trong công nghiệp sản xuất nước uống giải khát…

Vì vậy cần phải tiến hành tách các tạp chất này ra khỏi thành phần của khí đốt tự nhiên Quá trình loại bỏ khí axit và các hợp chất lưu huỳnh ra khỏi thành phần của khí đốt tự nhiên được gọi là “Quá trình làm ngọt khí”

Làm ngọt khí bằng phương pháp hấp thụ hoá học

Hấp thụ được hiểu là quá trình pha lỏng hút pha khí Khí hút được gọi là chất bị hấp thụ, chất

lỏng dùng để hút gọi là chất hấp thụ Đi kèm với quá trình hấp thụ phải có quá trình nhả hấp thụ Trong quá trình hấp thụ hóa học dung môi được sử dụng phổ biến là dung dịch nước của các Alkanol Amin

Hình 3: Các amin dùng để hấp thụ khí axit

Hình 4: Tính chất hóa lý cơ bản của MEA, DEA, DIPA, DGA [5]

Cơ chế phản ứng giữa amin và khí axit có thể được mô tả như sau:Phản ứng hấp thụ: (1)

Amin + H2S  Muối amin + Nhiệt

Amin + H2O + CO2 Muối amin + Nhiệt

* Điều kiện phản ứng: Áp suất cao, nhiệt độ thấp

Phản ứng tái tạo (nhả hấp thụ): (2)

Muối amin + Nhiệt  Amin + H2S

Muối amin + Nhiệt  Amin + CO2 + H2O

* Điều kiện phản ứng: Áp suất thấp, nhiệt độ cao

Nguyên lý công nghệ hấp thụ hóa học bằng dung dịch amin

Hình 2: Sơ đồ công nghệ hấp thụ bằng dung dịch Amin [9]

Mô phỏng quy trình

3

Dữ liệu đầu vào (thành phần khí thô và điều kiện vận hành)

1 Absorption Column (Tháp hấp thụ):

Feedstock is sour gas with water

Pressure = 6895 Kpa Number of theoretical plates = 10 Top pressure = 995 psia

Bottom pressure = 995 psia Top temperature = 100 o F Bottom temperature = 100 o F

2 Regeneration Column (Tháp tái sinh)

Number of theoretical plates = 18 Feed is rich amine solution

Condenser pressure = 27.5 psia Condenser pressure drop = 2.5 psia Reboiler pressure = 31.5 psia Condenser Temperature = 98.73 o C Reboiler Temperature = 125.4 o C Reflux ratio = 0.5

Vapour rate = 2 MMSCFD

3 Heat Exchange (Thiết bị trao đổi nhiệt)

Tube passes/shell = 1; Shell passes = 1 Shell series = 1

Delta P tube side = 10 psi Delta P sell side = 10 psi

4 Valves:

Delter Pressure valve (VLV-100) = 90 psi [10]

Hình 5: Các amin và hỗn hợp các amin được sử dụng

Hình 6: Sơ đồ quy trình làm ngọt khí bằng Aspen Hysys.

Kết Quả Và Thảo Luận

4

Kết quả mô phỏng

1 50%wt nồng độ MDEA

Hình 7: Hàm lượng khí chua còn lại sau khi được xử lý

Hình 8: Biểu đồ giữa lưu lượng amin đưa vào tháp hấp thụ và hàm lượng khí H S và CO còn lại sau khi xử lý.

Kết quả mô phỏng

2 40% nồng độ MDEA + 10% nồng độ DEA

Hình 9: Hàm lượng khí chua còn lại sau khi được xử lý

Hình 10: Biểu đồ giữa lưu lượng amin đưa vào tháp hấp thụ và hàm lượng khí H S và CO còn lại sau khi xử lý.

Kết quả mô phỏng

3 40% nồng độ MDEA + 10% nồng độ MEA

Hình 11: Hàm lượng khí chua còn lại sau khi được xử lý

Hình 12: Biểu đồ giữa lưu lượng amin đưa vào tháp hấp thụ và hàm lượng khí H S và CO còn lại sau khi xử lý.

KẾT LUẬN

Sử dụng hỗn hợp MDEA với nồng độ MEA hoặc nồng độ DEA đã có thể giảm lượng khí

có thể tăng nồng độ của MEA và DEA lên, có thể giảm nồng độ MDEA xuống Tuy nhiên vẫn còn một số mặt hạn chế là cùng với một điều kiện áp suất, nhiệt độ, lưu lượng đầu vào thì hỗn hợp MDEA và DEA/MEA hoạt động chưa được ổn định lắm

KẾT LUẬN

Vì vậy, tại các nhà máy xử lý – chế biến đối với tính chất của các mỏ khí, bồn trũng ở thềm lục địa Nam Việt Nam rất thích hợp để sử dụng hỗn hợp MDEA với DEA hoặc MEA Trong tương lai nhóm

em sẽ nghiên cứu sâu hơn vào phần tính toán thiết kế các thông số của tháp hấp thụ, tháp tái sinh từ

đó phân tích tính hiệu quả và tính tối ưu của cả quy trình Nghiên cứu tính toán lượng amin tuần hoàn phù hợp và lượng amin thất thoát Nếu sản phẩm quá chua, thì dòng khí phải được tiếp xúc với amin nhiều hơn Điều này có thể thực hiện bằng cách tăng cường trao đổi nhiệt để lượng amin được tái tạo có thể nhiều hơn và nếu không có đủ nhiệt để cấp vào thì ta có thể giảm lưu lượng tuần hoàn amin Ngoài ra trong thời gian hoạt động thì một lượng amin sẽ thất thoát với khí sản phẩm do vấn

đề về áp suất hơi của amin do đó cần phải bù lại một lượng amin đã mất hoặc phải sử dụng các phương pháp khác để đưa tránh thất thoát amin để tránh tốn kém về mặt chi phí…

Tài Liệu Tham Khảo

[1] J C P B R & E JERRY A BULLIN, The Use of MDEA and Mixtures of Amines for Bulk, 1990

[2] M M a R G T Mshewa, Carbon Dioxide Absorption/Desorption Kinetics in Blended Amines”, Proceedings of the 44th Annual Laurance Reid Gas Conditioning Conference University of Oklahoma, Norman, February 27, 1994

[3] I S R.K Abdulrahman, Natural gas sweetening process simulation and optimization: A case, 2013

[4] N M Omar, Simulation and Optimization of Gas Sweetening Process at Mellitah Gas Using Different Blends of Amines, March 2017

[5] Trường Cao Đẳng Dầu Khí - Giáo Trình Vận Hành Các Phân Xưởng Chế Biến Dầu Khí

[6] "Today In Energy," U.S Energy Information Administraiton, 14 February 2011 [Online] Available: https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=110 [7] "cngvietnam," Petrovietnam, PV gas CNG, 24 january 2024 [Online] Available: https://www.cngvietnam.com/kien-thuc-ve-khi-tu-nhien/.

[8] N T M Hiền, Công Nghệ Chế Biến Khí Tự Nhiên Và Khí Đồng Hành, 2002

[9] "Vikipedia, Amine gas treating," [Online] Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Amine_gas_treating#:~:text=Amine%20gas%

20treating%2C%20also%20known,(CO2)%20from%20gases

[10] M Assir, "Gas Processing - Amine Sweetening Process with Aspen hysys 7.3-Youtube"

[11] Carver Pump Company, How Amine Sweetening Works (Absorption and Stripping) - Youtube