Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa dầu: Ứng dụng phương pháp phân tích Exergy xác định điều kiện vận hành tối ưu cho tháp C-05 của nhà máy chế biến khí Dinh Cố

Luận văn thạc sĩ: Ứng dụng phương pháp phân tích exergy xác định điều kiện vận hành tối ưu chotháp C-05 của nha máy chê biên khí Dinh Cô LỜI CAM ĐOANTôi xin cam đoan luận văn nay là công

Trang 1

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHÙNG ĐÌNH LIEU

UNG DỤNG PHƯƠNG PHAP PHAN TÍCH EXERGY

XAC DINH DIEU KIEN VAN HANH TOI UU CHOTHAP C-05 CUA NHA MAY CHE BIEN KHI DINH CO

Chuyên ngành =: KY THUẬT HOA DAUMã số : 60 53 55

Trang 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: PHUNG DINH LIEU MSHV: 11400174Ngày tháng, nam sinh: 21-08-1985 - Nơi sinh: Bên TreChuyên ngành: Kỹ thuật hóa dau Mãsô: 605355TÊN ĐÈ TÀI:

UNG DUNG PHƯƠNG PHAP PHAN TÍCH EXERGY XÁC ĐỊNH DIEU KIENVAN HANH TOI UU CHO THAP C-05 CUA NHA MAY CHE BIEN KHI DINH CO

NHIEM VU VA NOI DUNG:1 Khảo sát thu thập số liệu về thực tế hoạt động của nhà máy chế biến khí Dinh Cố2 Mô phỏng cụm tháp C-05 của nhà máy

3 Tính toán cân băng vật chất và cân bằng năng lượng cho tháp C-05 ở các điềukiện hoạt động

4 So sánh hiệu suất năng lượng của các điều kiện va dé xuất điều kiện vận hành tốiưu

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QD giao dé tai): 02/07/2012

NGÀY HOAN THANH NHIEM VỤ: (Ghi theo trong QD giao dé tài): 21/06/2013

CAN BQ HUONG DAN: ˆ

PGS TS NGUYEN VINH KHANH - Trường DH Bach Khoa TP.HCM

; ; : TP.HCM, ngay thang năm 20

CAN BO HUONG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO

(Họ tên va chữ ky) (Họ tên và chữ ký)

TRUONG KHOA

(Họ tên và chữ ký)

Trang 3

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TAITRUONG ĐẠI HỌC BACH KHOA THÀNH PHO HO CHÍ MINHCán bộ hướng dẫn khoa hoc :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, DHQG TP.HCM vào ngày tháng năm 20

Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, hoc hàm, học vi của Hội đông châm bảo vệ luận văn thạc sĩ)+ 92 bà5.

Xác nhận của Chu tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau

khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có) .

CHU TICH HOI DONG TRUONG KHOA

Trang 4

Luận văn thạc sĩ: Ứng dụng phương pháp phân tích exergy xác định điều kiện vận hành tối ưu cho

tháp C-05 của nha máy chê biên khí Dinh Cô

LỜI CẢM ƠNTrước tiên xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cán bộ hướng dẫn chính: PGS TS.Nguyễn Vĩnh Khanh đã quan tâm sâu sắc, tận tình hướng dẫn, chỉnh sửa và b6 sungnhiều kiến thức quý báu dé dé tài nghiên cứu này được hoàn thành

Xin chân thành cảm ơn các thay cô trong Khoa Kỹ thuật Hóa học, đặc biệt là cácthay cô của bộ môn Công nghệ Chế biến Dầu khí đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợicho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn Xin gửi lời cảm ơn những bạn bè đãhỗ trợ về nhiều mặt, hết lòng giúp đỡ và động viên để đề tài được hoàn thành đúngkế hoạch

Mặc dù đã nỗ lực trong việc nghiên cứu, tham khảo tài liệu và thực nghiệm, tuynhiên vẫn khó tránh khỏi những thiếu sót Kính mong quý thầy cô, quý anh chị vàbạn bẻ đóng góp những ý kiến quý báu dé dé tài được hoan thiện hơn

Cuôi cùng, xin gửi lời chúc sức khỏe và thành công đến tat cả các quý thay cô cùngcác bạn.

Tháng 06/2013

Học viên thực hiện

Trang 5

LỜI CAM ĐOANTôi xin cam đoan luận văn nay là công trình nghiên cứu của bản thân, xuất phát từnhu câu thực tế của ngành công nghiệp chế biến dầu khí Nội dung của luận vănđược thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết Exergy và ứng dụng lý thuyết nàyvào quá trình đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng cho tháp C-05 của nhà máy chếbiến khí Dinh Cố dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS TS Nguyễn Vĩnh Khanh(ĐH Bách Khoa TP.HCM).

Các số liệu, kết quả trong luận văn này là hoàn toan trung thực và được thực hiệnbởi chính tác giả Kết quả luận văn chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thứcnào trước khi trình, bảo vệ và công nhận bởi “Hội đồng đánh giá luận văn tốtnghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật Hóa dau”

Tp Hô Chi Minh, ngày 21 thang 06 năm 2013

Trang 6

Luận văn thạc sĩ: Ứng dụng phương pháp phân tích exergy xác định điều kiện vận hành tôi ưu cho

TÓM TẮTSự phát triển của công nghiệp chế biến khí đã mang lại những hiệu quả kinh tế nhấtđịnh cũng như góp phần bảo đảm nguồn năng lượng Trong giai đoạn phát triển banđầu, yêu cầu tối đa hóa sản lượng thường được ưu tiên Tuy nhiên, để phù hợp vớiđịnh hướng phát triển lâu dài, các giải pháp cải tiễn kỹ thuật cho ngành công nghiệpchế biến khí cần được đầu tư nghiên cứu Trên cơ sở đó, nội dung luận văn này tậptrung vào van dé tối ưu hiệu suất cho tháp Demethanizer C-05 của nha máy chếbiến khí Dinh Có Quy trình công nghệ của nha máy được mô phỏng bang phanmềm Hysys căn cứ trên các thông số hoạt động thực tế Các kết quả mô phỏng sauđó được xử lý tính toán nhằm xác định thông số của các dòng vật chất, thiết bị cũngnhư hiệu suất sử dụng năng lượng cho các thiết bị thành phần trong cụm tháp C-05.Đồng thời, nội dung phân tích tính chất nhiệt động của tháp C-05 với sự hỗ trợ củacông cu Column Targetting trong phan mềm Aspen Plus đã xác định các hiệu chỉnhcần thiết dé giảm thiểu hon 98% mức độ thất thoát exergy cho tháp so với điều kiệnhoạt động ban đầu

Trang 7

ABSTRACT

The development of gas processing industry has brought certain economicachievements as well as assured energy sources In the beginning stage, maximumproduction requirement is the first priority However, to comply with long termdevelopment strategy, technical solution researches for gas processing industrymust be focused Base on these matters, this research focuses on energyoptimization for Demethanizer C-05 column at Dinh Co gas processing plant Basedon actual values of operating parameters, processing stages of this plant wasmodelled with Hysys software The obtained modelling results were furtheranalyzed to determine properties of process fluids and units as well as energyefficiency of component equipment in C-05 column unit Simultaneously,thermodynamic analysis for C-05 column with Column Targetting tool in AspenPlus was also conducted to determine necessary adjustments for decreasing morethan 98% exergy loss level of the column in comparing with initial operatingconditions.

Trang 8

2.1.1.1 Giới thiệu - 5< SE SE SE 1211112111111 11 111111 262.1.1.2 Mô phỏng các thiết bị công nghệ chính và cụm tháp C-05 28

Trang 9

2.2.2 Phan tích tháp C-05 với Aspen PÏS Ă S ST TS SSSSSSS E11 1 11k kkksei 372.2 PHAN TÍCHEXERGY - 2G + SE E9 5 EE15E5E1E1515217115 11111110 342.2.1 COC mối lƯƠHg QUđH 5c tt HH iyg 342.2.2 Cân bằng vật chất, năng lượng và hiệu suất eXeFBy ccccccccrcrrei 372.3 PHAN TÍCH NHIỆT DONG HỌC ¿- - 2 ©2+c+E£E£ESEEEcEerrkrree, 392.3.1 Column Grand Composite Curve (CŒCC) -<<5<<<<<++++2 402.3.2 Giản đô tốn thất FX€FW St HE HH iyg 4]CHUONG 3 - KET QUA VA BAN LUẬN 5-5- 5< 5< < << scscscsesesesese 433.1 KET QUÁ MO PHÒNG G1151 111111515151515151 11111111 rxree 433.1.1 Kết quả mô phỏng các thiết bị công nghệ chính và cụm tháp C-05 433.1.2 Kết quả mô phỏng chỉ tiết cho thấp C-(5 se cccccrctstskstererereree 493.2 _ KET QUA PHAN TÍCH EXERGY CHO CÁC THIẾT BỊ THÀNH PHANTRONG CUM THAP C-05 - 5-52 SE S223 1E 321515212115 21 1151115111111 11L 543.3 KẾT QUÁ PHAN TÍCH NHIỆT DONG HỌC 5555 5s sec c£csz 583.4 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CAITIEN ues cssesesessesescsesesssseseesseseeen 63CHUONG 4 - KET LUẬN VÀ KIEN NGHỊ 5- << << << sssesese 74TÀI LIEU THAM KHAO - 5-5-5 5< << 5999 eEeEeEeE xxx 9952 77PHU LUC I: SO DO CONG NGHE, BAN VE MAT BANG NHA MAY CHEBIEN KHÍ DINH CO VA THAP DEMETHANIZER C-05

PHU LUC II: CAC MOI TƯƠNG QUAN SỬ DUNG TRONG PHAN TÍCHEXERGY CHO CUM THAP C-05

PHU LUC Ill: THONG TIN NHAP LIEU MO PHONG NHÀ MAY CHEBIEN KHÍ DINH CO TRONG HYSYS

PHU LUC IV: KET QUA TINH TOAN CAN BANG VAT CHAT VA NANGLUONG CHO NHA MAY CHE BIEN KHI DINH CO

Trang 10

Hình 1.

Hình 2.Hình 2.Hình 2.

Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.

Hình 3.

Oo eH IN DB nA + C2 t2 =— œ=œ11

12

DANH MUC HINH

Sơ đồ nguyên ly nhà máy ở chế độ vận hành hoàn chỉnh (GPP) 21

Chọn phương trình trạng thái cho quá trình m6 phỏng 26

Nhập liệu thông tin đầu vào cho việc phân tích nhiệt động học 33

Dòng vật chất và năng lượng trong một thé tích kiểm soát 38

Mô phỏng cụm tháp C-05 của nhà máy - 55 +++<<<<<<<<<sss2 46So đồ tháp C-05 và các dòng vật chất vào và ra -¿-c-cccscsescse 50Biểu đồ nhiệt độ theo các đĩa của tháp C-0Š ca 58Thanh phan pha hoi (C1-C3) theo các đĩa của tháp C-05 59

Lưu lượng mole 2 pha theo các đĩa của tháp C-0Š - 59CGCC (T-H) của tháp C-ÖŠ G 1 HH HH TH ng ng vết 61CGCC (Stage-H) của tháp C-05 oo ccccccsssssscccceccccceeeeeseessssseeeeeees 61Biểu đồ T-Exergy loss của tháp C-05 voc ccccsesescsesssscscesessesevereseeseeee 62Biểu đồ Stage-Exergy loss của tháp C-05 -cccsesesesrsrerrees 62Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ của dòng nhập liệu 12e đến các yeu caurang buộc khi cố định mức nhiệt độ dòng nhập liệu 14 ở mức -18,5°CKhao sat anh hưởng nhiệt độ của dòng nhập liệu 14 đến các yeu caurang budc khi cố định mức nhiệt độ dòng nhập liệu 12e ở mức -60°CKhao sat anh hưởng nhiệt độ của dòng nhập liệu 14 đến các yeu caurang budc khi cố định mức nhiệt độ dòng nhập liệu 12e ở mức -40°C

Trang 11

Hình 3.13 Biểu đồ Stage-Exergy loss của tháp C-05 sau khi hiệu chỉnh thông số

590101115 72

Trang 12

DANH MỤC BÁNGBảng 1.1 Tính chất dòng nguyên liệu dùng trong thiết kế 5-5 25s: 17

Bang 2.1 Các phương trình trạng thai và phạm vi ứng dụng 27

Bảng 2.2 Guidi hạn thiết kế của một số thiết bị công nghệ chính 29

Bảng 2.3 Các thông đầu vào cho một số thiết bị công nghệ chính 29

Bảng 3.1 Tóm tắt kết quả mô phỏng và so sánh với số liệu thiết kế 43

Bảng 3.2 Kết quả mô phỏng các dòng vật chất trong cụm tháp C-05 47

Bảng 3.3 Kết quả mô phỏng thành phan mol của các cấu tử trong các dòng vatchất trong cụm tháp C-05, -¿- k+kk*E#E*ESESEEEEEkSkckckekekekrererree 48Bảng 3.4 Cân bằng vật chất và năng lượng của tháp C-05 - - cc+csescse 50Bảng 3.5 Kết quả mô phỏng các dòng vật chất vào và ra khỏi tháp C-05 với phanmềm Aspen PÏUS -c- kkkE E919 9E SE ExSSccv T1 g1 g1 xrxei 51Bảng 3.6 Kết qua phân tích thành phan cau tử qua các đĩa của tháp C-05 53

Bảng 3.7 Kết quả phân tích hiệu suất cho bộ chia dòng TEE-101 trong cụm thápCH05 4/4 55

Bảng 3 8 Kết quả phân tích hiệu suất thiết bị trao đối nhiệt E-101 trong cụm thápCH05 4/4 56

Bảng 3 9 Kết quả phân tích hiệu suất thiết bị trao đối nhiệ E-102 trong cụm thápCH05 4/4 57

Bảng 3.10 Kết quả phân tích nhiệt động học qua các đĩa của tháp C-05 60

Bảng 3.11 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ của dòng nhập liệu 12e đến các yêu cầuràng buộc khi cố định mức nhiệt độ dòng nhập liệu 14 ở mức -18,5°C¬— 4 64

Trang 13

Trang 14

DANH MỤC CÁC TỪ VIET TAT VÀ KY HIỆUTừ viết tắt Diễn giải

BP Công ty dau khí Anh QuốcCGCC Đường phân tích thành phần cột (Column grand composite

curve)

GPP Nha may ché bién khiLPG Khí dầu mỏ hóa lỏngLW Công thất thoát (Lost Work)NKK Công ty Nippon Kokan

PNMTC Điều kiện hoạt động thực tế gần tối thiểu (Practical

Near-Minimum Thermodynamic Condition)

PR Peng Robinson

RVP Áp suất hơi bão hòaS — Exergy loss Dia - Tén that exergyS-H Dia — Enthalpy

Trang 15

Trang 16

Ký hiệu phụ Diễn giải

0 Điều kiện ban đầuV hoặc e Hiệu suất exergyW Hệ số hoạt độA Biến thiênCH hoặc C Hóa học

Dest Tiêu hủy

Gen Phát sinh

In Vào

Irr Bắt thuận nghịchKN Động năng

Min Tối thiểuOut Ra

PH Vat ly

PT Thé nang

Trang 17

MO ĐẦUThống kê tháng 6 năm 2011 của BP cho thấy xu hướng gia tăng của nhu cầu sửdụng nhiên liệu Mặc dù hoạt động sản xuất các nguồn nhiên liệu phi hóa thạch đãcó những bước tiễn đáng kể nhưng xét trong tong thé toàn bộ năng lượng tiêu thụ,nhiên liệu hóa thạch vân chiêm một vai trò to lớn.

Theo kết quả dự báo thì nguồn nguyên liệu hóa thạch này sẽ hoàn toàn cạn kiệttrong tương lai không xa Trước tình hình đó, hầu hết các quốc gia đều đã có cácchương trình phát triển nguồn năng lượng thay thé

Trong các nguồn năng lượng thay thế (năng lượng gió, năng lượng mặt trời, thủyđiện, ), nhiên liệu sinh học nổi lên như một đối tượng tiềm năng cho xu hướngnăng lượng trong tương lai Và trong tình hình chung đó, Việt Nam cũng đang tíchcực phát triển các nguồn năng lượng thay thế với các chiến lược và dự án phát triểnnhiên liệu sinh học đã và đang được triển khai

Tuy nhiên, một van đề rõ ràng đó là nguồn năng lượng mới không thé thay thế hoàntoàn năng lượng hóa thạch trong một thời gian ngăn Các nghiên cứu phát triểnnăng lượng thay thé cần phải đi đôi với việc sử dụng các ngu6én năng lượng hiện taimột cách hiệu quả Do vậy, nhu cầu nghiên cứu đánh giá hiệu suất sử dụng nănglượng nhằm hướng tới mục tiêu tối ưu hệ thống tiết kiệm năng lượng là yêu cầuthiết yếu

Trong phạm vi Việt Nam, việc ban hành luật tiết kiệm năng lượng đã bước đầu đãxác định khung pháp lý cũng như xây dựng chương trình quản lý, kiếm toán nănglượng Đây là động lực để các nhà máy và các đơn vị sản xuất tại Việt Nam thúcđây nghiên cứu tôi ưu hệ thống, sử dụng năng lượng hiệu quả [1-2-4]

Trang 18

Hiệu suất năng lượng là khái niệm đã được sử dụng từ lâu trong yêu cầu kỹ thuậtcác hệ thống công nghiệp Tuy nhiên, việc đánh giá độ tối ưu của hệ thống theohiệu suất năng lượng truyền thống cũng bộc lộ nhiều vẫn đề Cụ thể, sự mất mátnăng lượng do sản sinh entropy trong quá trình hay thất thoát nhiệt ra môi trường đãkhông được đánh giá thông qua phương pháp tính hiệu suất năng lượng truyềnthống Do vậy, vẫn đề phân tích exergy đã được đề xuất như một phương pháp cungcấp kha năng đánh giá chính xác hơn khi cần tôi ưu hóa các quá trình [7-15]

Trang 19

CHUONG 1 - TONG QUAN VE HOAT ĐỘNG CUA NHÀ MAY CHE BIENKHÍ DINH CO

Trong chương nay các nội dung giới thiệu về nhà máy chế biến khí Dinh Cố và cácthông tin về tính chất nguyên liệu, sản phẩm cũng như quy trình công nghệ hiện tạicủa nhà máy sẽ được trình bày chỉ tiết Sau đó, phạm vi va van dé nghiên cứu củadé tài cũng sẽ được giới thiệu

II GIỚI THIỆUNhà máy chế biến khí Dinh Cố (GPP) do nhà thầu SAMSUNG thực hiện và công tyNKK Coporation thiết kế Nhà máy được khởi công vào năm 1997, với công suấtthiết kế là 1,5 tỷ m” khí/năm Sản phẩm của nhà máy bao gém khí khô thươngphẩm, LPG và condensate [3]

Nhà máy nằm ở xã An Ngãi, huyện Long Điền, tinh Bà Rịa Vũng Tàu Cách vị trítiếp bờ của đường ống dẫn khí tại Long Hải là 10 km Đặc tính khu vực nhà máynhư sau:

- _ Thuộc khu vực ít dân cư sinh sống.- _ Xung quanh là vườn cây bach dan.- _ Giáp với nhà máy BP StaOil về phía Tây Nam.- Vi trí tương quan của nhà may GPP so với các nhà máy khác:

+ GPP cách nhà máy điện Bà Rịa 7 km (đường ống).+ GPP cách nhà máy điện Phú Mỹ 30 km (đường ống).+ GPP cách kho cảng Thị Vải 23 km.

+ GPP cách nhà máy Condensate 23 km (nhà máy nam cạnh Thị Vải)

Trang 20

Luận văn thạc sĩ: Ứng dụng phương pháp phân tích exergy xác định điều kiện vận hành tối ưu chotháp C-05 của nhà máy chế biến khí Dinh Cố

1.2 NGUYÊN LIEU VA SAN PHẨM1.2.1 Nguyên liệu hiện tại cua nha mayKhí đồng hành từ mỏ Bạch Hồ ngoài khơi cách Vũng Tau 107 km được đưa vào bờbăng đường ống ngầm 16 inch tới Long Hải và được xử lý tai nhà máy xử lý khíDinh Cố để thu hồi LPG, condensate và khí thương phẩm Tinh chất dòng nguyênliệu thiết kế trình bày trong Bảng 1.1, các phương án tham khảo trình bày trongPhụ lục 4.

Bang1.1 Tinh chất dòng nguyên liệu dùng trong thiết kế

Nguyên liệu

Thông số Đơn vị khíÁp suất Bara 109

Nhiệt độ °C 25,6

Lưu lượng khối lượng thực kg/h 178.800

N> %mol 0,21

CO» #⁄mol 0,06H;ạO %mol 1,30

Cy %mol 70,85

Ca %mol 13,41C3 %mol 7,51i-C4 %mol 1,65

Trang 21

Thông số Don vi Nguyên leu

khin-Ca %mol 2,37

1-Cs %mol 0.63n-Cs %mol 0,73

Ce %mol 0,51C7 %mol 0,26Ce %mol 0.18

Tong cong %omol 100

1.2.2 Chi tiêu san phẩmSản phẩm và lưu lượng:

a Khí thương phẩm:

Trang 22

Luận văn thạc sĩ: Ứng dụng phương pháp phân tích exergy xác định điều kiện vận hành tôi ưu chotháp C-05 của nhà máy chế biến khí Dinh Cố

Các thông sốLưu lượng thể tích theo điều kiện chuẩn(triệu m/năm)

Phan mol CH, (% mol)Phan mol C,H, (% mol)Phan mol C;Hg (% mol)Điểm sương của hydrocarbon (°C)

Gia tri3,34

81,5613,73,35-38,7Khí thương phẩm được vận chuyén từ GPP Dinh Có đến các nhà may điệnbăng đường ống dẫn khí cao áp đường kính 6 inch

b Condensate:

Các thông sốLưu lượng (tan/ngay)Phần mol butane lỏng cực đại %c San phẩm Propane:

Cac thông sốLưu lượng (tan/ngay)Ty lệ thu hồi propane (% mol)Phần mol butane lỏng cực đại %d Sản phẩm Butane:

Các thông sốLưu lượng (tan/ngay)Ty lệ thu hồi butane (% mol)Phan mol C;" lỏng cực đại (%)

Gia tri4002,0

Gia tri53585,22,5

Gia tri415922,5

Trang 23

Các sản phẩm lỏng được phân phối theo hai cách: Một phần chứa tại nhàmay GPP dé chuyến trực tiếp cho các xe bổn Phan còn lại thông qua hệthống ba đường ống 6 inch dẫn tới kho cảng Thị Vải Từ đây, theo yêu cầucủa từng khách hang, sản phẩm sẽ được pha chế theo các ty lệ khác nhau vàxuất hàng thông qua hệ thông kho cảng

13 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CUA NHÀ MAY1.3.1 Sơ đồ nguyên lý

Ở giai đoạn hoàn chỉnh, nhà máy sản xuất condensate, khí thương phẩm, LPG hoặc

có thé tách riêng Butane, Propane So đồ nguyên lý nhà máy ở chế độ vận hànhhoàn chỉnh được trình bày trong Hình 1.1.

Trang 24

Trang 25

1.3.2 Tom lược quy trình công nghệ

a Xử lý ban dauKhí đồng hành từ ngoài khơi được vận chuyển vào bờ có áp suất 109 bar, nhiệt độ27°C được đưa vào Slug-Catcher, tại đây, hai pha lỏng khí sẽ được tách riêng ra,

sau đó:- Dong lỏng được loại một phân nước và đưa vào thiết bị tách 3 pha V-03 để

xử lý tiếp Thiết bị này hoạt động ở áp suất 75 bar và nhiệt độ 20°C Tại đây,nguyên liệu được tách làm 3 dòng:

+ Dòng khí từ V-03 được dẫn vào thiết bị tách giọt V-14 trước khi

đưa vào máy nén K-03 để tách lỏng, tránh làm hư máy nén Sau khiqua máy nén, dòng khí có áp suất 109 bar được dẫn qua thiết bị làmmát bằng không khí trước khi đưa vào thiết bị dehydrat V-08;

+ Nước lẫn Glycol được xả bỏ;+ Dong Condensate từ V-03 qua thiết bị trao đôi nhiệt E-04 được gianhiệt từ 40°C lên 80°C đưa vào tháp Deethanizer C-01.

- Dong khí đi vào thiết bị dehydrat 08 và sau đó sẽ qua thiết bị hap phụ 06A/B dé tách nước Thiết bị này gồm 2 tháp: một tháp hoạt động, một thápgiải hap Dòng khí ra khỏi tháp sẽ vào thiết bị lọc F-01A/B dé lọc bụi ban vacác hạt chất hấp phụ bị vỡ vụn

V-b Công đoạn ngưng tụ khí ở nhiệt độ thấp:Dòng khí ra khỏi F-01A/B được chia làm 2 dòng:

- Dong ] chiém 1/3 lưu lượng được trao đổi nhiệt với dòng khí lạnh từ đỉnhtháp C-05 băng thiết bị trao đôi nhiệt E-14 dé giảm nhiệt độ từ 25°C xuống -35°C Sau đó, dòng khí nay qua van tiết lưu FV-1001 dé giảm nhiệt độ xuống-63°C ở áp suất 33,5 bar Dòng 1 được nhập vào đỉnh tháp tách lỏng C-05đóng vai trò là dòng dung môi hap thu cau tử nặng C3+

Trang 26

- Dong 2 chiếm 2/3 lưu lượng được chuyển đến Turbo-Expander CC-01 Tạiđây, dòng khí được giãn nở từ 109 bar xuống 33,5 bar, do đó, nhiệt độ giảmđến -18 °C Dòng 2 nhập vào đáy tháp C-05 đóng vai trò như dòng khí âm.Tại tháp C-05: Tháp hoạt động ở áp suất 33,5 bar, nhiệt độ giảm dan từ đáy -20°Cđến đỉnh tháp -43°C Tháp hoạt động như một thiết bị hấp thụ-nhả hấp thụ Cau tửC3+ trong dòng khí đi từ dưới lên sẽ được hấp thụ bởi dòng dung môi lỏng từ trên

xuống, đồng thời các cấu tử nhẹ trong dòng lỏng được tách ra khỏi Do đó, hiệu suất

thu hồi lỏng sẽ cao hơn Sản phẩm từ tháp bao gồm 2 dòng:- Dong khí khô ở đỉnh tháp sau khi thiết bị trao đối nhiệt E-14 được nén lên áp

suất 47 bar bởi CC-01 và được chuyên đến đường ống khí thương phẩm Mộtphân khí thương phẩm được dùng cho qua trình giải hap V-06

- Dong lỏng (-20°C) được nhập liệu vào tháp C-01 (dòng 2).

c Công doan phan tach thành các phân doanTại tháp Deethanizer C-01: hoạt động ở 29 bar, được nhập liệu bởi 2 dong: 1 dònglà dòng lỏng (dòng 1) được nhập vào mâm thứ 14 (hoặc mâm 20); một dòng là dòng2 nhập vào mâm trên cùng của tháp đóng vai trò như dòng hồi lưu của thiết bịchưng cất Nhiệt độ đáy được duy trì ở nhờ Reboiler

- Dong khí nhẹ thoát ra ở đỉnh tháp được nén bởi máy nén K-01 từ 29 bar lên47 bar, tiếp tục được nén lên 75 bar nhờ máy nén K-02, làm mát băng khôngkhí rồi nhập với dòng khí từ V-03 vào máy nén K-03 dé đạt áp suất 109 bar.Sau đó, dòng khí này được làm mát bang không khí ở E-13 rồi nhập vớidòng nguyên liệu vào thiết bi Dehydrat V-08 Trước các máy nén K-01, K-02, K-03 đều có các bình tách lỏng V-12, V-13, V-14

- Dong lỏng ở đáy tháp sẽ được 6n định ở bình chứa V-15 trước khi nhập liệuvào tháp Debutanizer C-02.

Trang 27

- Tai tháp Debutanizer C-02: hoạt động ở 11 bar nhằm tách Bupro ra khỏidòng nhập liệu.

- Dong hơi bupro được ngưng tụ ở khoảng 40°C tại E-02 Một phần Bupro hồilưu làm sản phẩm đỉnh, phan còn lại là Bupro thương phẩm

- Dong Condensat ở đáy có nhiệt độ 155°C qua trao đối nhiệt E-04 dé trao đổinhiệt với dòng Condensat ra khỏi V-03, tiếp tục qua thiết bị làm lạnh bangkhông khí E-09, sau đó về đường ống xuất

1.4 VẤN ĐÈ NGHIÊN CỨUTrong hệ thống của nhà máy, tháp C-05 có nhiệm vụ tách phần lỏng ngưng tụ do hệthống bơm hòa dòng đưa vào, dòng khí ra khỏi đỉnh tháp là khí thương phẩm dùngđể cung cấp cho các nhà máy điện, hydrocarbon lỏng từ đáy C-05 được đưa sangtháp tách Deethanizer C-01 Đi kèm với với tháp C-05 là hệ thống bơm, máy nén vàhệ thống trao đổi nhiệt cho các dòng nhập liệu va dòng sản phẩm vao va ra khỏitháp Dữ liệu hoạt động thực tế của nhà máy cho thấy hiệu quả sử dụng năng lượngở tháp C-05 chưa được tối ưu và dòng sản phẩm đỉnh tháp Demethanizer C-05 vẫncòn một lượng tương đối thành phần Ethane và Propane Do việc tiêu hao nănglượng không cần thiết gia tăng theo hàm lượng các cấu tử Ethane và Propane trongdong sản phẩm đỉnh nên xét về hiệu suất năng lượng lẫn hiệu quả kinh tế, cần cógiải pháp khống chế hàm lượng của các cau tử này ở mức tối ưu Trên cơ sở đó, détài nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích đánh giá hiệu quả hoạt động củatháp C-05 và từ đó đề xuất ra các giải pháp kỹ thuật khả thi Ngoài ra, một số thiếtbị liên quan trong cụm tháp C-05 có kha năng gây ton thất năng lượng cũng nhưảnh hưởng đến điều kiện hoạt động của tháp C-05 cũng được nghiên cứu đánh giánhăm tìm kiếm giải pháp tiết kiệm năng lượng

Trang 28

CHƯƠNG 2 - THỰC NGHIỆM MÔ PHONG VA PHAN TÍCHQuá trình mô phỏng một hệ thống công nghệ hóa học là thiết lập mô hình toán họccho hệ thống đó Hệ thống công nghệ hóa hoc là tập hợp các thiết bị liên hệ vớinhau bởi các dòng công nghệ và hoạt động như một thé thong nhất của các thiết bị.Việc mô hình hóa hệ thống công nghệ hóa học dưới dạng mô hình toán nhằm mụcđích dễ dàng thu nhận thông tin và kết quả cho hệ thống công nghệ cụ thể nào đó.Một số phần mềm mô phỏng dùng cho tính toán công nghệ chế biến dau và khí baogồm Hysys, Proll, Aspen Plus Các phần mém đều có khả năng tính toán cho cácquá trình chế bién dầu khí, tuy nhiên mỗi chương trình thường có những ưu điểmriêng biệt Trong khi phần mềm Hysys được đánh giá cao khi mô phỏng các quátrình chế biến khí và PROII thường được lựa chọn cho các quá trình chế biến dầu,phan mềm Aspen Plus lại có thế mạnh trong việc mô phỏng các hệ ran, hệ đăng phí,hệ có phản ứng hóa học và một số tính năng phân tích chuyên sâu khác

Căn cứ trên các yếu tố trên, trong phạm vi nghiên cứu của dé tai, phần mềm Hysysđược lựa chọn sử dụng để mô phỏng các thiết bị công nghệ chính và cụm thápDemethanizer C-05 của nhà máy chế biến khí Dinh Cố Đồng thời, công cu ColumnTargeting trong phần mềm Aspen Plus cũng được lựa chọn sử dụng để phân tíchtính chất nhiệt động của tháp C-05

Các nội dung liên quan đến việc mô phỏng đối tượng nghiên cứu được trình bảytrong Mục 2.1 — Mô phỏng Dữ liệu thu thập được từ các phần mềm sẽ được sosánh với số liệu hoạt động thực tế của nhà máy để đánh giá mức độ tin cậy và từ đó,các tính toán, phân tích chi tiết về hiệu suất exergy cho một số thiết bị cũng nhưphân tích nhiệt động học cho tháp C-05 sẽ được làm rõ trong các nội dung của Mục2.2 — Phân tích exergy và Mục 2.3 — Phan tích nhiệt động học.

Trang 29

2.1 MÔ PHỎNG2.1.1 Mô phỏng các thiết bị công nghệ chính và cum tháp Demthanizer C-05với Hysys

21.11 Giới thiệuHysys là phần mềm mô phỏng tính toán công nghệ chủ yếu cho các quá trình chếbiến khí Hysys cung cấp nhiễu mô hình nhiệt động và thuật toán khác nhau phùhợp cho các nguồn nguyên liệu có thành phan khác nhau như Kabadi Danner, Lee-Kesler, Plocker, Peng Robinson, PRSV, Sour PR, SRK, Sour SRK, ZudkeVitch [18].

Trong các mô hình nhiệt động và thuật toán trên, Peng-Robinson tương đối phù hopcho dau, khí và ứng dụng hóa dau Nó có thé cho một kết quả tương đối chính xácvới hệ thông thay đổi trong điều kiện rộng cũng như đáp ứng hệ thống một pha, haipha hay hệ ba pha với hiệu quả cao.

Property Package Selection

1 FP ty Package Filt

<none> roperty Package FilterBWRS O All Types

GCEOS @EOSs

Glycol Package O Activity Models

Kabadi-Danner © Chao Seader Models

| Component List - 1 vi

-Name GPA Property Pko Sts a

Hinh 2.1 Chon phương trình trạng thai cho qua trình mồ phỏng

Trang 30

Bang 2.1 Cac phương trình trạng thái và phạm vi ứng dụng

Phương trình trạng thái Ứng dụng

Hiệu chỉnh của phương trình SRK để tính tốt hơn phần cân

Kabadi Danner

bang pha hơi — lỏng- lỏng trong hệ nước hydrocacbon

Là phương trình tổng quát nhất cho đơn chất và hỗn hợp

Lee-Kesler Plocker ,

chât không phân cực.

Lý tưởng để tính toán VLE và khối lượng riêng củaPeng-Robinson hydrocarbon Đã được hiệu chỉnh để tăng phạm vi ứng

dụng và tăng độ chính xác cho hệ không lý tưởng.Hiệu chỉnh của phương trình Peng-Robinson cho hệ tươngPRSV -

đôi không ly tưởng.

Kết hợp phương trình SRK và phương trình Wilson’s Sour

Sour SRK

Method.

SRK Cho kết quả tương tự nhu phương trình Peng-Robinson

trong nhiều trường hợp nhưng phạm vi ứng dụng hẹp hơn.Sour PR Két hop gitta phuong trinh Peng Robinson va phuong trinh

our , :

Wilson’s API-Sour Model đê giải quyét hệ có nước chua.

Hiệu chỉnh của phương trình Redlich Kwong để dự đoán

Trang 31

sử dụng là các hệ phải có nhiệt độ cao hơn -273°C va áp suất nhỏ hơn 15000psia.

Phuong trinh Soave-Kwong (SRK)

Mặc dù phương trình SRK cũng dua ra các kết quả gần giống với phương trìnhPR trong nhiều trường hợp nhưng giới hạn sử dụng của nó hẹp hơn nhiều (nhiệtđộ phải lớn hơn -143°C và áp suất nhỏ hơn 5000 psia) phương pháp này khôngtin cậy như phương trình PR khi dùng cho các hệ không lý tưởng như các hệ cómethanol hay glycol.

Phương trình PRSV

Phương trình này cũng có thể tính toán các hệ tương tự và đưa ra các kết quảchính xác băng hoặc hơn phương trình PR Hơn nữa, nó còn thích hợp hơn đểdùng với các hệ không lý tưởng Nhược điểm của phương trình này là đòi hỏinhiều thời gian tính toán và nhiều tham số tác động qua lại

2.1.1.2 Mô phỏng các thiết bị công nghệ chính và cụm tháp C-05Nhằm kiểm tra sự chênh lệch của kết quả mo phỏng va dữ liệu hoạt động thực tếcủa nhà máy, trong phân này, quy trình công nghệ của toản nhà máy được đánh giámô phỏng Căn cứ trên yêu cau thiết kế và tính chất nguyên liệu, các giới hạn thiếtkế cho một số thiết bị chính trong hệ thống công nghệ được trình bày trong Bảng2.2.

Trang 32

Báảng2.2 — Giới hạn thiết kế của một số thiết bi công nghệ chính [3]

Thiét bi | Don vị Thông số Giá trịC-05 °C Nhiệt độ thiết kế nhỏ nhất -75C-01 Bara Áp suất lớn nhất 32,5C-01 °C Nhiệt độ thiết kế lớn nhất 240C-02 °C Nhiệt độ thiết kế lớn nhất 180

Với tính chat dòng nhập liệu đã trình bay trong Mục 1.2, và các giới hạn thiết kếtrên, các thông tin đầu vào dùng mô phỏng hệ thông công nghệ của nhà máy bằngHysys được tóm tắt trong Bảng 2.3

Báng2.3 Cac thông đầu vào cho một số thiết bi công nghệ chính [3]

nguyên liệu trongMục 1.2.1F-01 (TEE-101) Ty lệ dong %V 30

E-14 Độ giảm áp trong ống-vỏ Bara 0

Trang 33

Thiết bị/ dòng lưu ,

, Thông sô Đơn vị | Giá trịchât

FV-1001 (VLV-100) Độ giảm áp Bara 75,5FV-1201 (VLV-102) Độ giảm áp Bara 0

KO] Ap suat khi dau ra Bara 47K02 Áp suất khí đầu ra Bara 75K03 Áp suất khí đầu ra Bara 109

Ap suat dinh Bara 33,5Ap suat day Bara 33,5

C-05

Vi trí nhập liệu dòng 1 to C-05 Dia số 1Vi trí nhập liệu dòng 2 to C-05 Đĩa số 12

Áp suất đỉnh Bara 29Áp suất đáy Bara 29C-01 VỊ trí nhập liệu dòng 2 vào C-01 Đĩa số 1

Vị trí nhập liệu dòng 3 vào C-01 Đĩa số 2

Spec C2 trong lỏng ở day %mol 2

Ap suat condenser Bara II

C-02

Áp suất reboiler Bara II

Trang 34

Thiết bị/ dòng lưu

, Thong sé Don vi | Gia tri

chat

Vị trí nhập liệu dong vào C-2 Đĩa số 10

2.2.2 Phân tích tháp C-05 với Aspen PlusMặc dù phần mềm Hysys có thế mạnh về khả năng mô phỏng các quy trình côngnghệ chế biến khí, tuy nhiên một số tính năng phân tích chuyên sâu trong phần mềmnày vẫn còn hạn chế Một tính năng quan trọng được xem xét trong nghiên cứu nàylà khả năng phân tích nhiệt động học vốn được tích hợp trong Aspen Plus

Phần mềm mô phỏng Aspen Plus sử dụng các mối tương quan kỹ thuật cơ bản nhưcân băng vật chất và năng lượng để ước tính diễn tiến của các quy trình hóa học.Aspen Plus cũng cho phép các kỹ sư công nghệ thiết kế và kiểm tra các quá trìnhhóa học với thời gian yêu cầu ngắn hơn Ngoài ra, phần mềm này cũng được sửdụng để đáng giá ảnh hưởng của các thông số thiết kế khác nhau đến hiệu quả củaquá trình vốn rất khó thu thập bằng thí nghiệm Băng cách sử dụng các dữ liệu nhiệtđộng học thực nghiệm và các điều kiện vận hành thực tế, phan mềm có thé môphỏng diễn biến của các quy trình thực Bên cạnh đó, việc mô phỏng các quy trìnhcòn cho phép kỹ sư công nghệ phát triển các quy trình tốt hơn thông qua việc sửdụng các công cụ phân tích độ nhạy, tính toán tối ưu cụm thiết bị, phân tích khảnăng tăng lợi nhuận và các đặc tính thiết kế Việc mô phỏng bang Aspen Plus có thétiễn hành thông qua các bước sau [8]:

Bước 1: Xác định thiết bị hoạt động và các dòng lưu chất công nghệ vào và ra khỏithiết bị Định danh và kết nối các dòng lưu chất vào mô hình thiết bị

Bước 2: Xác định các cau tử trong các dòng lưu chat căn cứ trên ngân hang dữ liệucủa Aspen Plus hoặc tự định nghĩa các cau tử này

Trang 35

Bước 3: Xác định mô hình nhiệt động học phù hợp trong Aspen Plus để ước tínhtính chất vật lý của các thành phần và hỗn hợp trong quy trình

Bước 4: Xác định điều kiện nhiệt động và lưu lượng của các dòng vào.Bước 5: Xác định điều kiện hoạt động của các mô hình thiết bị

Trong nội dung nghiên cứu này, công cụ tính toán Column Targetting trong AspenPlus sẽ được sử dụng nhằm phân tích tính chất nhiệt động học của tháp căn cứ trêncác dữ liệu công nghệ thu thập từ phần mềm Hysys Các thông số công nghệ và tínhchất của các dòng vật chất thu được từ Aspen Plus cũng được tính toán để kiểm tramức độ sai khác giữa 2 phần mềm

Các kết quả mô phỏng và đánh giá được trình bày trong Mục 3.1.2.Sau khi tiến hành việc nhập liệu các thông số đầu vao và đánh giá độ tin cậy của kếtquả, các thông tin b6 sung của tháp Demethanizer C-05 được nhập liệu thêm dé cóthé phân tích tính chất nhiệt động Kết qua phân tích chi tiết trình bày trong Mục3.3.

Trang 36

tháp C-05 của nhà máy chế biến khí Dinh Cố

BB TA - Aspen Plus V7 3asponONt

Os BANV IZÝV@®@% Gió M Troon es PHHBOO0S >2 OB2 4E] & ceed /đà&w\ù se

@ Block C-05 (RadF rac) Model Summary - Data BrowserMe” vi@l'biimeras vie «Kin v3 OM Dw Ze K

Cy Reboder Heurves Herey’s component tet ID

) NO Cuves Ekecticb#e chemestry 10

Cy Tray Sing Ure tus specaes approach for electrchees YES

ŒJ Tray Rating Freewater phase properties method STEAM-TA

Pack Saing Woter soái tải method 3

Cy PadiRating Number of stages 1200Ø Provesties (oœdeme NONE

: cee Rebeder NONE

Ếj s2 Number of phases 2.00@ teo«t Free-water N0@ Rate-based Report Top stage pressure [bwp| liệu

@ User Subroutines Speciied eflux tao

@) User Transport Subroutines Specfed bottoms rate; <= Spectied bop tate

Speotied ditilate rate

L4 “4x sgoae phu ED Model components

Al Profiles Calcudated bottoms rate fkamol/sec} 0554041

A) Interface Profies Calculated bolup sate [kmol/sec] 132013

Zi) Efficiencies and HETP Calculated distitate rate [hmol/sec) — 18046Transfer Coefficients Condenser / top stage temperature [K} 2140

{XeNortnualbugkanii Condenser /top stage ptessue[N/sq9) — | 3.350336 +085

aa Condenser / top stage hoot duty [Watt 0Spec Grows Condenser / top stage subcooleđ duty

Ports Condenset / top stage refhux tate fkmoVsec} | 0.340319

Stream Resuts Condenser / top stage Ítee estes rethax tbo vCustom Stream heats

Model Sunamaty Cick hate to change the grid orientation

Trang 37

2.2 PHAN TICH EXERGY2.2.1 Các mối tương quanTheo Zargvt, exergy là công cực đại khả dụng trong quá trình nhiệt động thuậnnghịch, khi vật chất biến đối từ trạng thái ban đầu sang trang thái sau cân bằng vớimôi trường Theo Rykrt, exergy là lượng năng lượng điện hay cơ học cần thiết đểchuyền vật chất từ trang thái cân bằng với môi trường sang trang thái thứ hai trongmột quá trình nhiệt động thuận nghịch.

Từ các định nghĩa trên, năng lượng có thể được xem bao gồm 2 phân: phân có thểchuyền thành công trong quá trình thuận nghịch gọi là exergy và phan còn lại khôngthé chuyển đổi thành công gọi là anergy:

E = An+ ExViệc chuyển đổi từ exergy thành anergy xảy ra trong mọi quá trình thuận nghịchthực tế và đây là thể hiện của định luật 2 của nhiệt động học Như vậy, đối với quátrình thuận nghịch lí tưởng, giá trị của exergy và anergy trong suốt quá trình sẽkhông đồi

Khi không có các yếu tố điện, từ, sức căng bể mặt và phản ứng hạt nhân, tongexergy của một hệ thống Ex có thé chia thành 4 thành phan: vật lý ExPH, động họcExKN, thế ExPT và hóa ExCH:

Ex = Ex” + Ex" — Ex" + Ex”.

Tuy nhiên, phan động học và thế thường có thé bỏ qua và khi không có sự dichuyển của hóa chất vào môi trường, thành phần hóa sẽ băng không

Exergy (vật lý) của một dòng khối lượng vật chất nhất định xác định theo côngthức:

AEx = (H-Hạ) — Tọ(S-S¿) = AH — TạAS

Trang 38

Trong đó là Ty nhiệt độ môi trường, Hạ, So lần lượt là giá tri enthalpy va entropycủa môi trường Các điều kiện môi trường được lựa chọn sao cho: So = Hp = 0 Dovậy:

AEx=H—- ToSĐôi với chât răn và lưu chât không nén được:

Tr: nhiệt độ chuyển pha

Trang 39

Ở trạng thái chuyển tiếp có sự vận chuyển hạt và thay đối nồng độ hay pha trộn ởnhiệt độ va áp suất không đổi, cần xác định exergy hoá học

Exergy do chuyền đổi hóa học được gọi là exergy hóa học (Exc) Giá trị exergy chodung dịch lý tưởng với 2 cấu tử xác định theo công thức:

AH

AEx , = AH, —T, (“Es —R[sxIny,x + (1— x)lny„(1— Ù)

AHc: năng lượng của quá trình pha trộny¡„y:: hệ sô hoạt độ cho môi cau tu

Trang 40

tháp C-05 của nhà máy chế biến khí Dinh Cố

2.2.2 Cân bằng vật chất, năng lượng và hiệu suất exergyĐối với trạng thái tĩnh nói chung, hay các dòng tĩnh, bốn công thức cân bằng (khốilượng, năng lượng, entropy và exergy) được sử dụng để tìm tương tác công vanhiệt, tốc độ giảm exergy, độ bất thuận nghịch, hiệu suất năng lượng và hiệu suấtexergy.

a Cân bang lưu lượng khối lượng

c Cân bang exergy [10-11-17]

` EXin — », EXout = », EXaest

ExXtheat = Exwork + EX masain ¬ EXXmasa,out = EXdest

ExXheat = (1 = 7 Ge:

EXwork = W,

EU ngaa Ấn = EM out! outs

BX sas out => ZMoutW outs

Tiêu đề	Ứng dụng phương pháp phân tích Exergy xác định điều kiện vận hành tối ưu cho tháp C-05 của nhà máy chế biến khí Dinh Cố
Tác giả	Phùng Đình Liễu
Người hướng dẫn	PGS. TS. Nguyễn Vĩnh Khanh
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật hóa dầu
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2013
Thành phố	TP. HCM

Định dạng
Số trang	113
Dung lượng	19,12 MB