đồ án kỹ thuật dầu khí Tìm hiểu và tính toán các thông số kỹ thuật của tháp ổn định condensat C-02 tương ứng với lưu lượng khí đầu vào 5,9 triệu m3ngày của nhà máy GPP Dinh Cố

Khi tiếp nhận thêm các nguồn khí từ các mỏ lân cận, lưu lượng khí vào nhà máy sẽ liên tục thay đổi, để khảo sát tháp khả năng đáp ứng của tháp C-02 nên em chọn đề tài: “Tìm hiểu và tính

LỜI MỞ ĐẦU

Với nhu cầu sử dụng khí trên thế giới tăng nhanh, sự thăm dò khai thác khí thiên nhiên ngày càng tăng, bên cạnh đó là sự phát hiện dầu ngày càng giảm thì ngành công nghiệp khí sẽ ngày càng đóng vai trò quan trọng.

Nhà máy chế biến khí Dinh Cố là nhà máy xử lý khí đầu tiên ở Việt Nam do Tập đoàn dầu khí Việt Nam xây dựng, để chế biến các nguồn khí đồng hành, các nguồn khí tự nhiên dồi dào ở các mỏ Bạch Hổ, Rạng Đông và các mỏ lân cận thành những sản phẩm khác nhau, nhằm đáp ứng nhu cầu trong nước và xuất khẩu.

Hiện nay sản phẩm của nhà máy GPP Dinh Cố bao gồm khí khô, LPG và Condensat Trong đó LPG và Condensat là 2 sản phẩm có giá trị kinh tế cao hơn nhiều so với khí khô Nó là nguồn nguyên liệu để sản xuất xăng, các loại dung môi hữu cơ, nhiên liệu đốt và những nguyên liệu quan trọng cho công nghiệp hoá dầu.

Với nhu cầu lớn về LPG và Condensat nhà máy cần có những giải pháp nhằm tăng công suất để đáp ứng được nhu cầu của thị trường nhưng vẫn đảm bảo các chỉ tiêu kĩ thuật của sản phẩm thương phẩm Tháp ổn định condensat C-02 là tháp chưng cất phân đoạn có nhiệm vụ phân tách LPG và Condensat để các sản phẩm này đáp ứng đủ các tiêu chuẩn thương mại quy định Tháp C-02 là cụm thiết

bị quan trọng không thể thiếu trong dây truyền công nghệ của nhà máy GPP Dinh

Cố Khi tiếp nhận thêm các nguồn khí từ các mỏ lân cận, lưu lượng khí vào nhà máy sẽ liên tục thay đổi, để khảo sát tháp khả năng đáp ứng của tháp C-02 nên em

chọn đề tài: “Tìm hiểu và tính toán các thông số kỹ thuật của tháp ổn định condensat C-02 tương ứng với lưu lượng khí đầu vào 5,9 triệu m 3 /ngày của nhà máy GPP Dinh Cố ”

Trong phạm vi một đồ án tốt nghiệp, trình độ bản thân còn nhiều hạn chế, chưa được làm quen nhiều với việc tính toán thiết kế nên đồ án hẳn còn nhiều thiếu sót Rất mong nhận được những nhận xét, góp ý của các thầy cô cùng bạn

Hà Nôi, tháng 06 năm 2009

Sinh viên thực hiện: Hoàng Văn Tuân

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN

1.1 Khái niệm về khí tự nhiên [2,4,5]

có trong lòng đất Chúng thường tồn tại trong những mỏ khí riêng rẽ hoặc tồn tại ởtrên các lớp dầu mỏ Khí tự nhiên còn được hiểu là khí trong các mỏ khí Khí tự

Người ta phân loại khí tự nhiên làm hai loại: khí không đồng hành (còn gọi

là khí thiên nhiên) và khí đồng hành Khí thiên nhiên khai thác được từ mỏ khí, cònkhí đồng hành khai thác được trong quá trình khai thác dầu mỏ ở trong mỏ dầu

chúng tách ra khỏi dầu tạo thành khí đồng hành

Thành phần định tính, định lượng của khí tự nhiên rất giống nhau ở các mỏkhác nhau, có thể khác nhau đáng kể ở các tầng trong cùng một mỏ Giữa khí tựnhiên và khí đồng hành không có sự khác biệt lớn về thành phần định tính, nhưng

thiên nhiên

Khí tự nhiên là nguồn nguyên liệu, nhiên liệu vô cùng quý giá, gần nhưkhông tái sinh, đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong hoạt động kinh tế, trong cuộcsống của con người Một sự biến động trong cán cân cung cầu dầu khí đều lập tứcảnh hưởng đến mọi lĩnh vực kinh tế, đến chính sách kinh tế, xã hội Ngày nay, dầukhí được coi là tài nguyên chiến lược, chịu sự kiểm soát trực tiếp hoặc gián tiếp củacác quốc gia

1.2 Nguồn gốc của dầu và khí tự nhiên[2,4,5]

Nguồn gốc hình thành dầu mỏ được các nhà khoa học giải thích theo nhiềuchiều hướng khác nhau, tuy nhiên giả thuyết hữu cơ của các hydrocacbon trong dầu

mỏ là có nhiều cơ sở khoa học nhất Các vật liệu hữu cơ tạo ra dầu mỏ có nhiềunguồn gốc khác nhau, trong đó quan trọng nhất là các sinh vật đồng thời cũng cómột phần xác động thực vật hình thành nên

Các giai đoạn hình thành dầu khí:

Quá trình hình thành dầu khí xảy ra trong một thời gian dài và liên tục Sựhình thành này xảy ra hàng triệu năm và có thể chia thành 4 giai đoạn sau:

● Giai đoạn 1: Giai đoạn này bao gồm các quá trình tích tụ vật liệu hữu cơban đầu Xác động thực vật được lắng đọng lại Chúng được các vi sinh vật phânhuỷ thành khí và các sản phẩm tan trong nước, phần bền vững nhất không tan sẽlắng đọng lại thành các lớp trầm tích dưới đáy biển Quá trình này diễn ra trongkhoảng vài triệu năm

● Giai đoạn 2: Giai đoạn này bao gồm các quá trình biến các chất hữu cơthành các phân tử hydrocacbon ban đầu Những hợp chất hữu cơ ban đầu không bịphân huỷ bởi vi khuẩn là nhóm hợp chất béo Qua hàng triệu năm, những hợp chất

đổi do các phản ứng hóa học tạo ra các cấu tử hydrocacbon ban đầu của dầu khí

● Giai đoạn 3: Giai đoạn này bao gồm các quá trình di cư các hydrocacbonban đầu đến các bồn chứa thiên nhiên Chúng được phân bố rải rác trong các lớptrầm tích Do áp suất trong các lớp đá trầm tích rất cao nên các hydrocacbon banđầu bị đẩy ra và di cư đến nơi khác Quá trình di cư diễn ra liên tục cho đến khi cáchydrocacbon ban đầu đến được các lớp sa thạch, đá vôi, nham thạch có độ rỗng xốpcao được gọi là đá chứa, từ đó hình thành nên các bồn chứa tự nhiên Tại các bồnchứa này, các hydrocacbon không thể di cư được nữa Trong suốt quá trình di cưban đầu, các hydrocacbon luôn chịu các biến đổi hóa học và dần nhẹ đi

● Giai đoạn 4: Giai đoạn này gồm các quá trình biến đổi dầu mỏ trong cácbồn chứa tự nhiên

1.3 Thành phần và phân loại khí tự nhiên [2,4,5]

1.3.1 Thành phần của khí thiên nhiên

Khí tự nhiên là sản phẩm cuối cùng của quá trình chuyển hóa vật liệu hữu cơ

thành phần của một số mỏ khí ở Việt Nam

Bảng 1.1: Thành phần khí đồng hành mỏ Bạch Hổ và Rạng Đông thuộc bể Cửu Long-Việt

Nam (% theo thể tích)

(chưa xử lý)

Bạch Hổ(chưa xử lý)

Cửu Long(đã xử lý)

* Nguồn Petrovietnam Gas.Co, 11/2

1.3.2 Thành phần hóa học và phân loại khí tự nhiên

càng ít Nhiệt độ ở các mỏ khí tự nhiên thường là một vài trăm độ do đó khí tự

Khí tự nhiên bao giờ cũng chứa các khí vô cơ với hàm lượng thường giảm

Khí tự nhiên ở trong mỏ luôn luôn chứa hơi nước bão hòa, khí khai thácđược cũng thường bão hòa hơi nước nhưng cũng có thể chứa ít hơi nước hơn Việc

khí khai thác có bão hòa hơi nước hay không là phụ thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ

áp suất trong suốt quá trình khai thác

Ở các mỏ khác nhau thành phần định tính và định lượng của khí tự nhiênkhác nhau

Phân loại khí thiên nhiên

Khí thiên nhiên có thể phân thành các loại sau:

● Theo nguồn gốc:

+ Khí đồng hành: Khí đồng hành là khí hòa tan trong dầu, lôi cuốn theo dầutrong quá trình khai thác và sau đó được tách ra khỏi dầu Khí đồng hành được khaithác từ các giếng dầu hoặc giếng dầu khí (chủ yếu là dầu)

+ Khí không đồng hành: Khí không đồng hành là khí khai thác từ mỏ khí và

mỏ khí ngưng tụ Condensat

● Theo thành phần:

1.4 Một số tính chất cơ bản của khí tự nhiên [1,2,5,6]

Tính chất hóa lý của khí được quyết định bởi thành phần định tính và địnhlượng Tùy theo mục đích sử dụng cụ thể người ta thường quan tâm đến một sốtrong các tính chất của khí Sau đây là các tính chất tiêu biểu của khí và sản phẩmcủa khí

1.4.1 Áp suất hơi bão hòa

Áp suất hơi bão hòa là áp suất ở trạng thái bay hơi cực đại, khi tốc độ bayhơi và tốc độ ngưng tụ trên bề mặt chất lỏng bằng nhau Ta có thể coi gần đúng ápsuất hơi bão hòa P của một dung dịch lỏng tuân theo công thức:

Vậy hợp phần i có nồng độ càng lớn, có áp suất hơi bão hòa càng lớn sẽ gây

ra một áp suất hơi bão hòa riêng phần càng lớn áp suất hơi bão hòa của dung dịchcàng lớn khi chứa càng nhiều chất để bay hơi

1.4.2 Khối lượng riêng và tỉ khối

Khối lượng riêng của khí lý tưởng:

Lý thuyết về khí lý tưởng cho ta mối liên hệ sau:

Khối lượng riêng của khí lý tưởng:

M: Khối lượng mol (kg/kmol)

Khối lượng riêng của khí thực:

).(

.03,12) (

z T

P M z

T R

P M



(1.3)

Tỉ khối của khí A so với khí B là tỉ số giữa khối lượng riêng của khí A và khí

B ở cùng nhiệt độ và áp suất

1.4.3 Hàm ẩm và điểm sương của khí

Khí tự nhiên và khí đồng hành khai thác được từ các mỏ dưới lòng đất luônbão hoà hơi nước Hàm lượng hơi nước có trong hỗn hợp khí phụ thuộc vào áp suất,nhiệt độ và thành phần khí Tại mỗi giá trị áp suất và nhiệt độ có thể xác định đượchàm lượng ẩm tối đa của khí Hàm ẩm tương ứng với trạng thái khí bão hoà hơinước được gọi là hàm ẩm cân bằng hay còn gọi là độ ẩm cân bằng

Để biểu diễn hàm lượng hơi nước có trong khí, người ta sử dụng hai kháiniệm: độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối

- Độ ẩm tuyệt đối: là lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích hoặc một

- Độ ẩm tương đối: là tỷ số giữa khối lượng hơi nước có trong khí và khốilượng hơi nước tối đa có thể có trong khí ở điều kiện bão hoà (biểu diễn theo phầntrăm hoặc phần đơn vị).

- Điểm sương: nếu giảm nhiệt độ khí bão hoà hơi nước còn áp suất khôngđổi, thì một phần hơi nước bị ngưng tụ Nhiệt độ tại đó hơi nước có trong khí bắtđầu ngưng tụ được gọi là điểm sương của khí ẩm tại áp suất đã cho

Sự tăng áp suất làm tăng độ nhớt của hydrocacbon, đặc biệt khi chúng ở thể hơi.Người ta quan tâm đến độ nhớt của khí và sản phẩm của khí khi cần tính toáncông suất bơm, máy nén, trở lực đường ống trên đường ống dẫn khí cũng như trongcác thiết bị, khi tính độ hiệu dụng của tháp chưng cất

1.4.5 Trạng thái tới hạn của khí

Một chất có thể biến từ trạng thái hơi sang trạng thái lỏng khi nhiệt độ giảm,

áp suất tăng trong điều kiện nhiệt độ thấp hơn một giá trị nào đó Trên nhiệt độ đókhông thể biến hơi thành lỏng ở bất kỳ áp suất nào Nhiệt độ đó gọi là nhiệt độ tớihạn (tới hạn của cân bằng lỏng - hơi)

(n: là số nguyên tử cacbon của phân tử hydrocacbon)

● Áp suất tới hạn(Pc): Đối với các hydrocacbon từ C1 đến C20 (trừ C18) có thểxác định chính xác đến ± 0,05 Mpa theo phương trình sau:

51,49

n

P C



(n: số nguyên tử cacbon của phân tử hydrocacbon)

Nhiệt cháy dưới, còn gọi là cháy tinh, là nhiệt cháy khi nước tạo thành ở thể

bằng nhiệt ngưng tụ hơi nước sinh ra

1.4.7 Giới hạn cháy nổ

Giới hạn cháy nổ dưới (trên) của một chất khí là phần trăm thể tích lớn nhất(nhỏ nhất) của khí đó trong hỗn hợp với không khí hoặc với ôxy nguyên chất khihỗn hợp có thể cháy nổ

Công thức tính giới hạn cháy nổ dưới cho hỗn hợp khí:

%100

x y

Với y : là giới hạn cháy nổ của hỗn hợp khí

Bảng 1.2: Một số tính chất hóa lý của hydrocacbon và N 2 , CO 2 , H 2S

Hệ số nén tới hạn

GIỚI THIỆU VỀ NHÀ MÁY GPP DINH CỐ

2.1 Nguyên liệu vào nhà máy và các sản phẩm chính

Nhà máy xử lý khí Dinh Cố được xây dựng tại xã An Ngãi, huyện LongĐiền, tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu, cách tỉnh lộ 44 khoảng 1 km, cách Long Hải khoảng 6

Khí đồng hành thu gom được từ mỏ Bạch Hổ được dẫn về nhà máy GPP theođường ống ngầm đường kính 16 inch để xử lý nhằm thu hồi LPG, Condensat và khíkhô Các sản phẩm lỏng sau khi ra khỏi nhà máy được dẫn về kho cảng Thị Vảitheo ba đường ống đường kính 16 inch, khí khô được đưa về các nhà máy điệnthông qua hệ thống đường kính 16 inch để dùng làm nguyên liệu Nhà máy chế biếnkhí được xây dựng theo thiết kế bước sử dụng nguyên liệu với lưu lượng là 4,3 triệu

Dầu Khí Việt Nam đã đầu tư xây dựng đường ống dẫn khí từ mỏ Rạng Đông về mỏBạch Hổ Do đó, hiện nay toàn bộ lượng khí của mỏ Rạng Đông và mỏ Bạch Hổđược nén và dẫn vào bờ, do đó hiện tại tổng lưu lượng khí cung cấp cho nhà máy

Sản phẩm của nhà máy hiện nay bao gồm :

+ Khí khô thương phẩm với thành phần chủ yếu là metan và etan, được cungcấp cho nhà máy điện Bà Rịa, nhà máy điện Phú Mỹ

+ Condensat hay còn gọi là khí ngưng tụ, là một hỗn hợp hydrocacbon ở

condensat được dẫn đến nhà máy chế biến condensat để pha chế thành xăng

+ Bupro là hỗn hợp của butan và propan, hỗn hợp lỏng này được dẫn vềkho cảng Thị Vải, tại đây nó được đưa ra thị trường

2.2 Các chế độ vận hành của nhà máy GPP Dinh Cố

2.2.1 Chế độ vận hành AMF (Absorluted Minimum Facility)

Đây là chế độ hoạt động của nhà máy ở trạng thái cụm thiết bị hoạt động làtối thiểu tuyệt đối Giai đoạn này được hoạt động với mục đích cung cấp khí thươngphẩm gia dụng cho các nhà máy điện, đồng thời cũng thu hồi một lượng tối thiểucondensat với sản lượng 340 tấn/ngày Chế độ AMF là chế độ dự phòng cho chế độ

MF trong trường hợp chế độ MF, GPP và GPP chuyển đổi không hoạt động đượcnhư: xảy ra sự cố, sửa chữa, bảo dưỡng

● Chế độ vận hành AMF

Dòng khí nguyên liệu từ ngoài khơi được vận chuyển theo đường ống đường

Slug-Catcher, dòng khí và dòng lỏng được tách ra theo các đường riêng biệt, phần lớnnước lẫn trong hydrocacbon được tách và thải ra từ thiết bị này

Dòng hydrocacbon từ Slug-Catcher được giảm áp và đưa vào bình tách V-03

trong hydrocacbon lỏng Khi giảm áp suất từ 109 bar xuống còn 75 bar một phầnhydrocacbon nhẹ hấp thụ trong lỏng được tách ra nhưng do hiệu ứng Joule-Thomson đồng thời với việc giảm áp suất, nhiệt độ sẽ giảm xuống thấp hơn nhiệt độtạo thành hydrat nên để tránh hiện tượng tạo hydrat này bình được gia nhiệt đến

gia nhiệt tại thiết bị trao đổi nhiệt E-04A/B trước khi đưa vào tháp C-01

Dòng khí thoát ra từ Slug-Catcher được dẫn vào bình tách lọc V-08 để táchtriệt để các hạt lỏng nhỏ bị cuốn theo dòng khí, Khí thoát ra ở đầu V-08 được dùng

để hút khí từ C-01 thông qua các bơm hoà dòng EJ-01A/B/C Đầu ra của các bơm

pha này được nạp vào tháp C-05 cùng với dòng khí nhẹ từ tháp V-03

Tháp tách C-05 có nhiệm vụ tách phần lỏng ngưng tụ do hệ thống bơm hòadòng đưa vào, dòng khí ra khỏi đỉnh tháp là dòng khí thương phẩm dùng để cungcấp cho các nhà máy điện, hydrocacbon lỏng từ đáy C-05 được đưa sang tháp táchetan C-01

T 21 V-03

K- 01

05

C- 08

V-E 01

E-S al

e G as

D ầu N ón g D

ầu N ón g

Hì nh 2 1: Sơ Đ ồ C ôn g N gh ệ A M F

C - Thấp Tách Phâ

n Đ oạn

V - Thiế

t Bị Tách SC

- Sl ug- Catc her E- Th iết

Bi Tr

ao

Đổi N hiệ t.

ME- Thiế

t Bị Đ o

S C- 01 A/

B

K

hí Đ ầu V ào

N ướ c

Như vậy trong chế độ AMF tháp tách C-01 có hai dòng nguyên liệu đi vào,dòng thứ nhất là hydrocacbon lỏng từ bình tách V-03 được đưa vào đĩa thứ 14, dòngthứ hai là dòng hydrocacbon lỏng từ đáy tháp C-05 được đưa vào đĩa trên cùng của

vào Hỗn hợp lỏng từ đáy của tháp C-01 được tận dụng để gia nhiệt cho hỗn hợpđầu vào của chính nó đến từ tháp V-03 thông qua thiết bị trao đổi nhiệt E-04, sau đóđược làm lạnh tại E-09 trước khi đưa ra đường ống hoặc vào bồn chứa CondensatTK-21

2.2.2.Chế độ vận hành MF (Minimum Facility)

Đây là chế độ vận hành của nhà máy ở trạng thái cụm thiết bị hoạt động tốithiểu, Chế độ MF được phát triển từ chế độ AMF nhằm mục đích thu hồi sản phẩmBupro với sản lượng 630 tấn/ngày và condensat với sản lượng 380 tấn/ngày, đây làchế độ dự phòng trong trường hợp không thể vận hành nhà máy theo chế độ GPP

Ngoài các thiết bị trong giai đoạn AMF, trong giai đoạn MF có thêm cácthiết bị chính sau:

- Tháp ổn định condensat (Stabilizer C-02)

- Dehydration and Regeneration V-06A/B

- Các thiết bị trao đổi nhiệt (Exchanger E-14, E-20)

- OFVHD Compressor (K-01): Là thiết bị nén dùng để tăng áp suất khí từđỉnh C-01 lên 45 bar để đưa vào dòng khí Sale Gas

● Chế độ vận hành MF:

Dòng khí ra từ Slug-Catcher được đưa đến bình tách lọc V-08 để tách nước,hydrocacbon lỏng, dầu nhờn và các hạt rắn, tác dụng của V-08 là bảo vệ lớp chấtlỏng hấp phụ trong V-06A/B khỏi bị hỏng và tăng tuổi thọ của chúng Dòng khí khô

ra khỏi V-06A/B được đưa đồng thời đến hai thiết bị trao đổi nhiệt E-14 và E-20với mục đích làm lạnh sâu để hóa lỏng khí Dòng khí sau khi ra khỏi E-14 và E-20

là dòng hai pha lỏng-khí được đưa vào tháp C-05 để tách lỏng

nhiệt nhằm với hai mục đích:

- Làm tác nhân làm lạnh bậc một cho dòng nguyên liệu tại thiết bị trao đổinhiệt E-14

van giãn nở FV-1001

Tăng nhiệt độ cho chính dòng khí ra từ tháp C-05 lên đến nhiệt độ yêu cầucần cung cấp cho các nhà máy điện

Lỏng ra từ đáy tháp C-05 có nhiệt độ -26,80C đến thiết bị trao đổi nhiệt E-20

đồng thời cũng gia nhiệt cho chính dòng lỏng từ C-05 trước khi được nạp vào đĩatrên cùng của tháp C-01

Hai tháp hấp phụ V-06A và V-06B được sử dung luân phiên, khi tháp nàylàm việc thì tháp kia tái sinh Quá trình tái sinh được thực hiện nhờ sự cấp nhiệt của

E-18, dòng khí này sau khi ra khỏi V-06A/B được tái làm nguội tại E-14 và tách lỏng

ở V-07 trước khi ra đường khí thương phẩm

Sơ đồ dòng lỏng trong chế độ MF tương tự như ở chế độ AMF chỉ khác ởchỗ khí ra ở V-03 được đưa đến tháp C-01 thay vì đưa vào tháp C-05 như chế độAMF Ngoài ra trong chế độ độ MF, tháp C-02 được thêm vào để thu hồi Bupro,

hơn và sản phẩm lỏng có chất lượng tốt hơn

í Đầ

u Và o

06

08

V- 20

E-Hì nh 2.2 : Sơ Đồ Cô ng Ng hệ M F

V-0 3

Bu pr o Bu pr o

T K- 21

M E-

26 M E2 5

Nư ớc

01 A/

E-B

M E- 24 E- 05 E- 04

15

V- 01

C-PV - 13 01

PV - 17 01

01

K- 01

F-

E-14

FV - 10 01 C-

13

E-S al

e G as

02

E- 02

V- 01 A/

P-B

02

C- 03 Dầ uN ón g

E-Dầ uN ón g No ựn g

12

07

V- 04

K- 18

15

E-SC -01

Trong chế độ MF tháp C-01 có ba dòng nguyên liệu được đưa vào:

nhiệt E-04A/B nhờ dòng lỏng nóng ra từ tháp ổn định C-02

- Dòng lỏng đến từ đáy tháp C-05 được đưa vào đĩa trên cùng

- Dòng khí từ đỉnh V-03 được đưa vào đĩa thứ 2 và thứ 3

sau đó được nén từ áp suất 25 bar lên 75 bar nhờ máy nén K-01 trước khi đưa vàođường khí thương phẩm Phần lỏng ra từ C-01 được đưa vào đĩa thứ 11 của tháp C-

nhiệt E-04 để gia nhiệt cho hỗn hợp đầu vào của tháp Sau khi ra khỏi E-04 lượnglỏng này được đưa đến thiết bị làm lạnh bằng không khí E-09 để làm lạnh trước khiđưa ra đường ống hoặc bồn chứa condensat thương phẩm TK-21

Hơi ra khỏi đỉnh tháp C-02 là Bupro, hơi Bupro được ngưng tụ tại thiết bịlàm mát bằng không khí E-02, một phần được hồi lưu lại tháp C-02, phần còn lạiđược đưa đến bồn chứa V-21A/B hoặc đưa vào đường ống vận chuyển Bupro đếnkho cảng Thị Vải

2.2.3 Chế độ vận hành GPP (Gas Processing Plant)

Đây là chế độ hoàn thiện của nhà máy xử lý khí, lúc này nhà máy được hoànthiện các thiết bị từ cụm thiết bị MF với mục đích thu hồi triệt để Condensat,

cao hơn so với các chế độ AMF và MF Sản lượng của nhà máy trong giai đoạnGPP như sau:

- Propan 540 tấn/ngày, Butan 415 tấn/ngày

- Condensat 400 tấn/ngày

● Ngoài các thiết bị chính có trong chế độ vận hành MF, ở chế độ GPP được

bổ sung thêm một số thiết bị sau:

được tiếp nhận tại Slug-Catcher, tại đây hai pha lỏng-khí được tách riêng ra, sau đó:

- Dòng lỏng được loại một phần nước và đưa vào thiết bị tách ba pha V-03

- Dòng khí được đưa qua các thiết bị tách thứ cấp hai pha lỏng-hơi V-08 đểtách phần lỏng còn lại, phần lỏng tách ra ở V-08 được đưa sang thiết bị tách ba phaV-03 để tiếp tục xử lý tiếp, còn dòng khí tách ra khỏi V-08 được đưa vào tháp táchV-06A/B dùng chất hấp phụ rắn để tách hydrat

- Dòng khí khô ra khỏi tháp V-06A/B sau khi được lọc bụi ở thiết bị lọc 01A/B được chia làm hai phần:

F Phần thứ nhất khoảng 2/3 lượng khí được đưa vào đầu giãn của thiết bịTurbo-Expander CC-01, tại đây khí giãn nở từ 109 bar xuống còn 33,5 bar, đồng

sẽ được đưa vào đáy tháp tinh lọc C-05 để tách sơ bộ các hợp phần nhẹ

- Phần thứ hai khoảng 1/3 lượng khí ra khỏi V-06A/B được đưa sang thiết bị

thiết bị trao đổi nhiệt E-14, sau đó được nén tại đầu nén của thiết bị CC-01 và đượcđưa ra đường khí thương phẩm, Lỏng ra khỏi đáy tháp C-05 được nạp vào đĩa thứnhất của tháp C-01 để tiếp tục xử lý tiếp

03

06

08

V-S C- 01

01

F-

E-14

C C- 01

02

03

K- 13

14

V- 19 E- 19

E-14 V- 07

18

15

E- 04

V-10 01

05

C-M E- 13

Sa

le G as

01

K-

E-08

04

01

C- 04

E-F V- 17 01

F V- 18 02

09

12

E-M E- 24 M E- 26 M E- 25

C on de ns at e

K-21 V- 21 B V- 21 A

an Pr op an

01

E- 15

V-

C-02

03

17

E-E1 0 C-

03

02

11 V- 05

E- 02

V-13 01

03

01

V-12 01

N ướ c

K

hí Đ

ầu V ào

Hì nh 2.3 : Sơ Đồ Cô ng Ng hệ GP P

Khí thoát ra khỏi đỉnh C-01 được máy nén K-01 nén từ 29 bar lên 47 barsau đó được làm lạnh tại thiết bị trao đổi nhiệt E-08 với tác nhân làm lạnh là dòng

tách nước và hydrocacbon nhẹ lẫn trong dòng lỏng đến từ bình tách V-03

làm lạnh bởi thiết bị làm lạnh bằng không khí E-19 Dòng khí thoát ra từ E-19 đượctrộn với lượng khí tách ra từ bình tách V-03 và được máy nén K-03 nén đến áp suất

109 bar, tiếp tục được làm lạnh tại E-13 và đưa vào dòng khí nguyên liệu

tiếp tục xử lý tiếp

không khí E-02 sau đó được đưa vào bình hồi lưu V-02, một phần Bupro được hồilưu lại tháp C-02 nhờ bơm P-01A/B (Nhiệm vụ của bơm P-01A/B là bù đắp sựchênh áp suất giữa tháp C-01 11 bar và tháp C-02 16 bar) Phần lớn Bupro được gianhiệt ở thiết bị gia nhiệt E-17 với tác nhân gia nhiệt được lấy từ chính đáy tháp C-

03, sau đó được nạp lại vào tháp C-03 Sản phẩm đáy của C-02 là Condensatthương phẩm được đưa ra bồn chứa hoặc đường ống Condensat

không khí E-11, sau đó được đưa vào thiết bị chứa hồi lưu V-05 một phần được hồilưu lại tháp C-03, phần lớn Propan lỏng còn lại là Propan thương phẩm được đưa raống dẫn Propan hoặc bồn chứa Butan ra ở đáy tháp C-03 được thiết bị gia nhiệt

cuối cùng được đưa vào ống dẫn Butan

2.2.4 Chế độ vận hành GPP chuyển đổi:

Chế độ GPP chuyển đổi được phát triển dựa trên chế độ GPP thiết kế nhằm

đầu có bổ sung thêm các thiết bị sau:

- Bình tách khí lỏng V-101

- Trạm nén khí đầu vào gồm 04 máy nén K-1011A/B/C/D với 03 máy hoạtđộng và một máy dự phòng.

Khí vào nhà máy là khí đồng hành từ mỏ Bạch Hổ và mỏ Rạng Đông với lưu

Hỗn hợp lỏng ra khỏi Slug-Catcher được đưa vào thiết bị tách ba pha V-03

kế là 75 bar nhằm mục đích xử lý thêm lượng lỏng đến từ bình tách V-101 của dòngBypass

Hỗn hợp khí ra khỏi Slug-Catcher được chia thành hai dòng:

P106 giảm áp suất từ 60-70 bar đến áp suất 54 bar và đi vào thiết bị tách lỏng

V-101 để tách riêng lỏng và khí Lỏng đi ra tại đáy bình tách V-V-101 được đưa vào thiết

bị tách ba pha V-03 để tách sâu hơn, còn khí ra ở đỉnh bình tách V-101 được sử

có đường kính 16 inch

ẩm/ngày được đưa vào hệ thống 4 máy nén khí K-1011A/B/C/D để nén dòng khí từ

này được đưa vào thiết bị lọc V-08 để tách tinh lượng lỏng còn lại trong khí và lọcbụi bẩn Dòng khí ra khỏi V-08 được đưa vào thiết bị V-06A/B để tách loại nướctrong không khí với mục đích tránh tạo hydrat trong quá trình làm lạnh sâu khí saunày Sau đó được đưa qua thiết bị lọc F-01A/B để tách lọc bụi bẩn có trong khí.Phần lỏng ra khỏi thiết bị V-08 được đưa vào bình tách ba pha V-03 để tiếp tục xử

qua van điều khiển FV-1001 để giảm áp suất xuống 37 bar, đồng thời với quá trình

khoảng 56% mol lỏng và được đưa tới đĩa trên cùng của thiết bị tinh cất C-05 nhưmột dòng hồi lưu ngoài

- Phần thứ hai khoảng 2/3 dòng khí còn lại được đưa vào đầu giãn nởcủa thiết bị CC-01 để thực hiện việc giảm áp từ 109 bar xuống tới 37 bar và

tháp tinh cất C-05

Như vậy khí khô sau khi ra khỏi thiết bị lọc F-01A/B được tách ra và đưasang các thiết bị E-14 và CC-01 để giảm nhiệt độ sau đó đưa vào tháp tinh cất C-05

phần pha lỏng (chủ yếu là Propan và các cấu tử nặng hơn) được tách ra từ đáy tháp

Hỗn hợp khí đi ra từ đỉnh tháp C-05 thành phần chủ yếu là Metan và Etan có

sau đó được nén tới áp suất 54 bar trong phần nén của thiết bị CC-01 Hỗn hợp khí

đi ra từ thiết bị này được đưa vào hệ thống đường ống 16 inch đến các nhà máyđiện như là khí thương phẩm

Propan được đưa vào đỉnh tháp C-01 như dòng hồi lưu ngoài

Tháp tách Etan C-01 là một tháp đĩa dạng van hoạt động như một thiết bịchưng cất Trong chế độ GPP chuyển đổi tháp C-01 có hai dòng nguyên liệu đi vào

là dòng lỏng từ đáy tháp C-05 đi vào đĩa trên cùng và dòng lỏng từ đáy bình tách

V-03 sau khi được gia nhiệt tại E-04 được đưa vào đĩa thứ 20 Tháp C-01 có nhiệm vụtách hydrocacbon nhẹ như Metan và Etan ra khỏi Condensat, khi hoạt động tháp có

gia nhiệt E-01A/B Khí nhẹ ra khỏi đỉnh tháp C-01 được đưa vào bình tách V-12 đểtách lỏng có trong khí, sau đó được máy nén K-01 nén từ áp suất 27,5 bar đến ápsuất 47,5 bar rồi đưa vào bình tách V-13 được nén tiếp đến 75 bar nhờ máy nén K-

02, được làm mát nhờ thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí E-19 Dòng khí ra khỏiE-19 lại được máy nén K-03 nén đến áp suất thiết kế là 109 bar, sau đó được làmmát tại thiết bị trao đổi nhiệt E-13 và cuối cùng quay trở lại bình tách V-08 như lànguyên liệu đầu vào

bình ổn định V-15 sau đó được đưa vào đĩa thứ 11 của tháp C-02

Tháp ổn đỉnh C-02 là một tháp đĩa dạng van bao gồm 30 đĩa, áp suất làm

E-03) Tháp C-02 có nhiệm vụ tách riêng hỗn hợp Bupro gồm Propan và Butan ra

V-02, một phần nhỏ Bupro được hồi lưu lại đỉnh tháp C-01 còn phần lớn được làmlạnh lần nữa tại E-12 sau đó được đưa vào bồn chứa để xuất ra xe bồn hoặc đưa vềkho cảng Thị Vải.

Condensat ra khỏi đáy tháp C-02 có nhiệt độ cao được tận dụng để gia nhiệtcho dòng lỏng ra từ đáy V-03 thông qua thiết bị trao đổi nhiệt E-04, đồng thời nhiệt

dẫn về kho cảng Thị Vải

03

06 A/

V-B

08

V-S C- 01

C C- 01

02

03

K- 12

V- 14

E- 10 1

V- 01 A/

K-B/

C/

D

05

C- 01

K- 01

C- 09

E-C on de ns at e T K- 21 V- 21 B V- 21 A B ut an Pr op an

04

01 A/

E-B

02

C- 03

17

E-E1 0 C-

03

02

11 V- 05

E- 02

V-F V- 13 01

03 A/

P-B

01

P-N ướ c

Sa

le G as

M E

01 A/

u Và o

Hì nh 2.4 : Sơ

đồ M GP P

Hình 3.1: Thiết bị cân bằng lỏng hơi đơn giản

Các cấu tử của hỗn hợp hơi ban đầu phân bố vào pha hơi và pha lỏng tuỳthuộc vào nhiệt độ sôi của chúng Những cấu tử có nhiệt độ sôi thấp (dễ bay hơi) sẽ

có khuynh hớng tập trung nhiều hơn trong pha hơi, trong khi đó những cấu tử cónhiệt độ sôi cao hơn sẽ tập trung nhiều hơn ở pha lỏng

Cân bằng giữa pha hơi và pha lỏng sẽ đạt đợc khi sự hoạt động của thiết bị

đ-ợc duy trì đến mức độ nào đó mà hầu nh không có sự thay đổi về nhiệt độ, áp suất vàthành phần các pha

Nh vậy, rõ ràng mức độ tách các cấu tử của một hỗn hợp sẽ đạt đợc cực đạitại trạng thái cân bằng, không thể tồn tại một trạng thái nào khác mà đạt đợc mức độtách cao hơn

Tại trạng thái cân bằng thiết bị đợc coi nh một đĩa lý thuyết và thành phầncủa pha lỏng và pha hơi, gọi là các thành phần cân bằng

Tóm lại, cân bằng lỏng hơi là một trạng thái của hệ mà tại đó không có sựthay đổi về nhiệt độ, áp suát và thành phần các pha

3.1.2 Các quan hệ nhiệt động học của cân bằng lỏng hơi

● Quan hệ cân bằng:

ở trạng thái cân bằng lỏng hơi, quan hệ nồng độ của một cấu tử nào đó giữapha lỏng và pha hơi tuân theo phơng trình sau:

i i

i

y K x

Trong (4.1) cấu tử nào có khả năng bay hơi càng lớn (nhiệt độ sôi càng thấp)

● Độ bay hơi tơng đối

Độ bay hơi tơng đối của cấu tử i so với cấu tử j đợc định nghĩa là tỷ số giữacác hằng số cân bằng của chúng

j

K K

năng và hiệu quả của quá trình chng cất phân đoạn Mặt khác, theo thói quen truyền

so với cấu tử khó bay hơi hơn nó, nên ta có:

i ij j

K K

pháp chng cất phân đoạn thông thờng

1 1

.

x

x y

Hình 3.2: Ảnh hởng của độ bay hơi tơng đối tới nồng độ của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi.

Nhìn vào đồ thị ta thấy: Khi độ bay hơi tơng đối tăng lên thì nồng độ của cấu

tử dễ bay hơi sẽ tăng lên và ngợc lại

3.2 Định luật Daltont và Raoult [1]

Đối với những hệ lỏng hơi lý tưởng hoặc được coi là lý tưởng (vớ dụ nhưnhững hỗn hợp hydrocacbon mà trong đú bao gồm những đồng đẳng của chỳng), thỡ

cú thể sử dụng định luật Daltont và Raoult

Do đú, nếu P là ỏp suất chung của hệ thỡ ta cũng cú thể viết:

P = Pi (3.7)Kết hợp (3.5), (3.6) và (3.7) ta được:

0

i xPP

0 i

P

P

Nếu ta chọn cấu tử j làm cấu tử khóa thì độ bay hơi tương đối của một cấu tử

i bất kỳ so với cấu tử khóa là:

0 j

0 i

Đối với hệ không lý tưởng (hệ thực) thì không thể áp dụng định luật Daltont

và Raoult, do đó ở trạng thi cân bằng lỏng hơi, quan hệ nồng độ của một cấu tử nào

đó giữa pha lỏng và pha hơi tuân theo phương trình sau:

Trong đó:

Độ bay hơi tương đối của cấu tử i so với cấu tử khóa j được định nghĩa là tỷ

số giữa các hằng số cân bằng của chúng

i j j i j

i ij

x

x y

y K

Phương trình (3.11) cho ta thấy, đối với một hệ không lý tưởng thì  ij phụthuộc vào thành phần.

nhỏ hơn 1 tùy thuộc vào các cấu tử

bay hơi tương đối để phân biệt cấu tử nhẹ, nặng:

Sự phân biệt này chỉ có ý nghĩa tương đối, vì nếu ta thay đổi cấu tử khóa thìkhái niệm về cấu tử nặng, nhẹ cũng sẽ thay đổi

Mục đích của việc chọn hai cấu tử khóa là nhằm giúp ta xác định việc phân

bố nồng độ các cấu tử ở các phân đoạn phù hợp với yêu cầu sản xuất Tuy nhiên,cấu tử khóa nặng vẫn là chuẩn để xác định độ bay hơi tương đối

Đồng thời, đối với hệ nhiều cấu tử, ta cũng có thể viết:

xi 1 và yi 1

i

cấu tử i, mà thường tính nồng độ theo độ bay hơi tương đối Từ (3.11) ta có thể viếtcho các cấu tử từ 1, 2… đến n như sau:

j

1 j 1 j

1

x

x y

2

x

x y

n

x

x y

i ij ij

j

x.x

1y1

Từ đó xác định được nồng độ cân bằng của cấu tử j:

x

xy

(3.12)Hoặc từ (4-8) và (4-9) biến đổi lại để tính nồng độ cân bằng cho cấu tử i bấtkỳ:

x.y

)x1(y

1 1

1 1 12

1 12 1

x)

1(

1

x.y

Phương trình (3.15) cho thấy phần mol

của các cấu tử dễ bay hơi hơn trong pha hơi là

một hàm số của độ bay hơi tương đối và phần

mol của nó trong pha lỏng

3.3 Cấu trúc tháp chưng cất trong công nghiệp dầu khí [3]

3.3.1 Thân tháp chưng cất

Thân tháp chưng cất có dạng hình trụ đứng Vật liệu làm tháp phụ thuộc vào

mức độ ăn mòn của môi trường làm việc, áp suất và nhiệt độ làm việc Nó thườnglàm bằng thép, chiều cao của tháp được xác định bằng số đĩa thực tế và khoảng cáchgiữa chúng Thông thường tháp có đường kính từ 1,2 ÷ 4,5m thì chiều cao của tháp

từ 25 ÷ 38m, thành của tháp chưng cất dày 10 ÷ 25mm Trong tháp có các đĩa,ngoài ra còn lỗ cửa để người lắp ráp và sửa chữa, làm vệ sinh Trên thân tháp chưngcất còn có các lỗ để cầm nhiệt kế và áp kế, các thiết bị đo lường điều khiển Cấu tạođơn giản một tháp chưng cất được chỉ ra như trong hình 3.3

Hình 3.3: Hình ảnh đơn giản cấu tạo một tháp chưng cất

3.3.2 Đường kính tháp

Đường kính tháp chưng cất phụ thuộc chủ yếu vào công suất của nó, nghĩa làphụ thuộc vào lưu lượng nguyên liệu( để chưng cất), đúng hơn là phụ thuộc lưulượng các dòng hơi và dòng lỏng trong tháp Đường kính tháp hay tiết diện thápđược thiết kế và tính toán tuỳ thuộc vào lưu lượng pha lỏng, pha hơi, phải đủ lớn đểkhi hoạt động không gây nên trạng thái ngập lụt hoăc lôi cuốn chất lỏng lên đĩa quánhiều

3.3.3 Đĩa tháp chưng cất

Trong tháp chưng cất có các chướng ngại vật, đó là các đĩa Đĩa là một cấutrúc cơ khí nằm ngang trong tháp chưng cất, có tác dụng tạo điều kiện cho pha hơiđang bay lên và pha lỏng đang đi xuống tiếp

xúc với nhau một cách đủ lâu, đủ tốt để sự

trao đổi chất giữa chúng xảy ra hoàn hảo

Các tháp chưng cất trong nhà máy lọc

dầu, trong nhà máy xử lý chế biến khí có từ

mười đến dăm sáu chục đĩa, còn trong nhà

máy hoá dầu có thể còn nhiều hơn vì ở đó

nhu cầu phân tách cao hơn, tạo ra những

phân đoạn có nhiệt độ sôi khác nhau rất ít,

thậm chí tạo ra các chất gần như nguyên

chất

Hình 3.4 : hoạt động của hơi và lỏng trên các đĩa

ống hơi Mục đích của gờ chảy tràn là giữ cho mực chất lỏng trên đĩa, tạo điều kiệncho pha lỏng và pha hơi tiếp xúc tôt hơn trên đĩa.

+ Ống chảy truyền: thiết diện của nó có thể là hình viên phân hay hình tròn

Số ống phụ thuộc vào kích thước chóp và lưu lượng lỏng Nó có thể có một ốnghoặc nhiều hơn, có thể ở hai bên hay chính giữa đĩa, ống chảy phải được kéo sát đếngần đĩa dưới (phải thấp hơn gờ chảy tràn của đĩa dưới), để giữ một lớp chất lỏngtrong ống, ngăn không cho pha hơi đi qua

+ Chóp: có thể là dạng tròn hay có dạng khác được lắp vào đĩa bằng nhiềucách khác nhau Ở chóp có rãnh để khí đi qua Rãnh có thể là hình tròn, tam giáchay hình chữ nhật Chóp có tách dụng là làm cho khí đi từ đĩa dưới lên qua các ôngkhí rồi xuyên qua các rãnh của chóp và sục vào lớp chất lỏng trên đĩa để trao đổinhiệt và chất

+ Van: có thể nâng lên hạ xuống dưới tác dụng của lực đẩy lên từ phía dướicủa dòng hơi Lá van có thể dạng hoặc tấm tròn

Một số thiết bị khác liên quan đến tháp chưng cất như thiết bị làm lạnhngưng tụ, thiết bị trao đổi nhiệt, bình hồi lưu, nồi tái đun…

3.3.4 Nguyên tắc hoạt động của tháp

Nguyên liệu được đưa vào tháp ở gần giữa tháp (để cho chất lỏng chảyxuống dưới có không gian tiếp xúc với hơi ở đáy tháp bị đun nóng bay lên) với lưulượng và thành phần đã biết Thông thường nguyên liệu dưới dạng hai pha lỏng –hơi Đĩa mà nguyên liệu vào được gọi là đĩa nạp liệu Phần trên đĩa nạp liệu gọi làvùng cất, phần dưới kể cả đĩa nạp liệu gọi là vùng chưng Lỏng dòng nhập liệu sẽchảy xuống vùng chưng đến đáy tháp Tại đây, mức chất lỏng luôn được duy trì,dòng chất lỏng sẽ được cung cấp nhiệt và bay hơi, hơi bay lên sẽ giàu cấu tử dễ bayhơi hơn so với chất lỏng Hơi đó sẽ sục vào chất lỏng ở các đĩa phía trên Ở đó, hơicùng chất lỏng thực hiện quá trình trao đổi chất và trao đổi nhiệt, kết quả tạo ra mộtdòng hơi mới giàu cấu tử đễ bay hơi hơn, chất lỏng giàu cấu tử khó bay hơi sẽ chảyxuống dưới đáy tháp và lại tiếp tục trao đổi nhiệt với dòng hơi đang bay lên tại cácđĩa mà dòng lỏng này chảy xuống Cứ tiếp tục như vậy qua nhiều bậc, hơi đi ra khỏiđỉnh tháp chưng cất chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi hơn gọi là distilat Phần lỏng rakhỏi đáy tháp chưng cất chứa nhiều cấu tử khó bay hơi gọi là cặn (residue) Dòngchất lỏng được đưa ra khỏi đáy tháp chưng cất Một phần được đưa vào thiết bị tái

Dòng hơi từ đáy tháp bay lên xuyên qua các đĩa và đên đỉnh tháp được hoálỏng ở dòng thiết bị làm lạnh ngưng tụ, một phần làm dòng hồi lưu, phần còn lạiđược đưa ra thiết bị chứa sản phầm nhờ bơm.

3.4 Tính toán cân bằng pha [3]

Các yếu tố cần phải xác định trong cân bằng pha khi chưng cất là:

- Nhiệt độ sôi cân bằng

- Nhiệt độ ngưng tụ (điểm sương)

- Áp suất chưng cất

- Nồng độ các pha: chỉ xác định được đối với hệ nhiều cấu tử đơn giản

- Suất lượng các pha: tính theo % thể tích (hoặc theo mol)

Các yếu tố này có quan hệ chặt chẽ với nhau, thông thường ta có thể biếttrước từ hai đến ba yếu tố rồi dựa vào đó để xác định các yếu tố còn lại

Phương trình thường được dùng để tính toán cân bằng pha có dạng

i i

biết nhiệt độ và áp suất

Nói chung đây là một cách tính lặp, có giả sử và có kiểm tra giả sử Việckiểm tra này được tiến hành theo hệ thức:

yi 1 hoặc xi 1

● Tính điểm sôi cân bằng

Điểm sôi là trạng thái của hệ mà tại đó hỗn hợp lỏng hydrocacbon bắt đầu sôi(bong bóng hơi đầu tiên được sinh ra) và nó được xác định từ phương trình:

Quy trình tính lặp được thực hiện như lưu đồ ở hình 3.5

Hình 3.5 Lưu đồ tính điểm sôi cân bằng

● Tính điểm sương

Hình 3.6 Lưu đồ tính điểm sương cân bằng

Điểm sương là trạng thái của hỗn hợp hơi hydrocacbon bắt đầu ngưng tụ(giọt lỏng đầu tiên được sinh ra) và nó được xác định từ phương trình:

Tính yi = Ki.xi

Dừng

Giả thiết nhiệt độ