THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ LÀM KHÔ KHÍ TRÊN GIÀN HẢI THẠCH

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 đ

`

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

KHOA HÓA HỌC & CNTP

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

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

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

(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

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 ii Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm

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

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

Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học iv Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm

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

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 vi Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm

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

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

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

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.

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

Natural Gas

Gas Well Reception

Condensate Stabilisation

Condensate C 5 +

Acid Gas Treatment

Acid Gas Removal

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật nguồn khí [3]

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

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

- 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

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]

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]

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]

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

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),…

Bảng 1.4: Các đặc tính của chất hấp phụ [10]

Property Silica gel Activated alumina Zeolite 4A

- 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

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

Bảng 1.5 So sánh hai phương pháp hấp thụ và hấp phụ

Lý thuyết

+ Khi sử phương pháp hấp thụ thì điểm sượng đạt được là -

25oC, hơi nước bão hòa còn tồn tại là 0.2 g/m3 [4],[8]

+ Chi phí lấp đặt thấp,cùng một hệ thống thì hệ thống hấp thụ

sẽ rẻ hơn 50% nếu lưu lượng khí vào là 10 MMSCFD và rẻ hơn 33% nếu lưu lượng khí vào là 50 MMSCFD [5]

+ Bị ảnh hưởng khi thay đổi

về lưu lượng, áp suất

+ Khi sử dụng phương pháp hấp phụ thì điểm sương có hạ đến dưới -50oC, lượng nước còn lại trong khí ít hơn 0.038 g/m3 [4]

+ Chi phí xây dựng và lắp đặt tốn kém nhiều hơn phương pháp hấp thụ

+ Ít bị ảnh hưởng khi có sự thay đổi nhỏ về áp suất dòng khí đầu vào, nhiệt độ và lưu lượng

Quá trình

+ Chi phí vừa để thay thế chất khử nước, thời hạn sử dụng của chất hấp thụ nhiều hơn chất hấp phụ

+ Hệ thông hấp phụ đến hai tháp và nhiều thiết bị phụ trợ [7] +Chất hấp phụ có giá thành cao

và thời gian sử dụng không lâu Mỗi lần thay chất hấp thụ là phải dừng hệ 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

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

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 φx vào pha φy

- 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

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]

𝑃𝑖 = 𝐾 𝑁𝑖Thành 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

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]

𝐾 = 𝑁𝑥.(𝐴)

𝑁𝑥.(𝐵) = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 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 đường cong Hằng số cân bằng 𝑚 = Ψ𝑃

Khi tính toán quá trình hấp thụ người ta thường dùng nồng độ phần mol tương đối Y, X

𝑌 + 1 ; 𝑥 =

𝑋

𝑋 + 1

Do đó:

1 + (1 − 𝑚) 𝑋Như 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:

𝐺𝑡𝑟 = 𝐺𝑦× 1

1 + 𝑌đ = 𝐺𝑦(1 − 𝑦đ) Phương trình cân bằng vật liệu trong tháp hấp thụ:

𝐺𝑡(𝑌đ − 𝑌𝑐) = 𝐺𝑥(𝑋𝑐− 𝑋đ) Lượng dung môi cần thiết:

𝐺𝑥 = 𝐺𝑡𝑟 × (𝑌đ− 𝑌𝑐)

(𝑋𝑐− 𝑋đ) ,

𝑘𝑚𝑜𝑙ℎLượng 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:

𝐺𝑥 𝑚𝑖𝑛 = 𝐺𝑡𝑟 × (𝑌đ− 𝑌𝑐)

(𝑋𝑐𝑏− 𝑋đ) ,

𝑘𝑚𝑜𝑙ℎVới 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:

𝑙 = 𝐺𝑥

𝐺𝑡𝑟 =

(𝑌đ − 𝑌𝑐)(𝑋𝑐 − 𝑋đ) ,

𝑘𝑚𝑜𝑙

ℎ Nếu biểu diễn phương trình cân bằng vật liệu ở tiết diện bất kỳ của tháp ta có:

𝐺𝑡(𝑌 − 𝑌𝑐) = 𝐺𝑥(𝑋 − 𝑋đ) Rút ra:

𝑌 = 𝐺𝑥

𝐺𝑡𝑟× 𝑋 + 𝑌𝑐 −

𝐺𝑥

𝐺𝑡𝑟 × 𝑋đHoặc:

𝑌 = 𝐴𝑋 + 𝐵 Trong đó:

𝐴 = 𝐺𝑥

𝐺𝑡𝑟

𝐵 = 𝑌𝑐 − 𝐺𝑥

𝐺𝑡𝑟× 𝑋đ ∶ ℎằ𝑛𝑔 𝑠ố 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:

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 ∆𝑌𝑡𝑏 sao cho tích số 𝐹 × ∆𝑌𝑡𝑏 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 ∆𝑌𝑡𝑏 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 𝐹 × ∆𝑌𝑡𝑏 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 = 𝐺𝑥

𝐺 𝑡𝑟 bé nhất (có nghĩa là lượng dung môi bé nhất) còn ứng với đường BA có A=tan α = 𝐺𝑥

𝐺𝑡𝑟 lớn 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

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<t2<t3, ảnh hưởng của áp suất P1>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

Trong trường hợp tăng áp suất, ta thấy hệ số cân bằng 𝑚 =Ψ𝑃 sẽ giảm, do đó 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

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

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

- 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

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

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

- 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

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…

Column Environment

Simulation Basis Environment

Main Flowsheet Environment

Oil Cheracterization Environment

Flowsheet Environment

Sub-Flowsheet Environment

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

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

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