Nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý khí acid cho khí thiên nhiên từ mỏ cá voi xanh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  BÙI TÁ VŨ NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ KHÍ ACID CHO KHÍ THIÊN NHIÊN TỪ MỎ CÁ VOI XANH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  BÙI TÁ VŨ NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CƠNG NGHỆ XỬ LÝ KHÍ ACID CHO KHÍ THIÊN NHIÊN TỪ MỎ CÁ VOI XANH Chuyên ngành :Kỹ thuật Hóa học Mã số :8520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ THỊ NHƯ Ý Đà Nẵng – Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi thực hướng dẫn GVC TS Lê Thị Như Ý Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa cơng bố hình thức trước Tôi xin cam đoan, số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá tơi thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Ngồi ra, luận văn cịn sử dụng số nhận xét, đánh số liệu tác giả khác, quan có trích dẫn thích nguồn gốc Nếu phát có gian lận tơi xin hồn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Tác giả luận văn Bùi Tá Vũ TĨM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ KHÍ ACID CHO KHÍ THIÊN NHIÊN TỪ MỎ CÁ VOI XANH Học viên: Bùi Tá Vũ, Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học Mã số: 8520301 Khóa: K35.KHH.QNg Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm Tắt - Mỏ khí Cá Voi Xanh (CVX) với trữ lượng thu hồi ước tính vào khoảng 150 tỷ m3, xem mỏ khí lớn vùng biển khơi Việt Nam từ trước đến nên đưa mỏ khí vào khai thác cách thuận lợi đem lại tiềm kinh tế vô lớn cho đất nước Tuy nhiên, với hàm lượng cao khí CO2 30% thể tích hàm lượng khí H2S 2000 ppm địi hỏi phải có biện pháp xử lý khí acid giàn để thể vận chuyển khí vào bờ Nói phương pháp xử lý acid, có nhiều phương pháp xử lý khác nhau, phương pháp lại có ưu, nhược điểm riêng phù hợp cho trường hợp khác Vậy phương án phù hợp để xử lý khí acid cho mỏ khí CVX mặt yêu cầu kỹ thuật lẫn tính hiệu kinh tế? Để giải vấn đề nói trên, luận văn bao gồm nhiệm vụ sau: Tìm hiểu tổng quan khí thiên nhiên mỏ khí Cá Voi Xanh, q trình xử lý khí acid Từ đề xuất phương án phù hợp để xử lý khí acid cho mỏ khí Cá Voi Xanh Bước tiến hành mô phương án chọn phần mềm Aspen One Từ đó, đánh giá kinh tế cho phương án xử lý khí acid đưa phương án tốt Từ khóa: Khí mỏ Cá Voi Xanh (CVX); xử lý khí acid; hấp thụ hóa học; màng thẩm thấu; phần mềm Aspen One EVALUATION AND PROPOSAL OF THE METHOD OF ACID GAS REMOVAL TECHNOLOGY FOR NATURAL GAS FROM GREEN WHALE GAS FIELD Abstract – Blue Whale (Ca Voi Xanh) gas field whose the estimated reserve of about 150 billion m3, is considered the largest offshore gas field in Vietnam so far, so if it is possible to put this gas fields into exploitation, it will be convenient to a bring a great economic potential for our country However, with a very high CO2 content of about 30% volume and H2S gas content of about 2000 ppm requires that we take measures to treat acid gas immediately at the rig to be able to transport gas to shore Talking about the acid gas removal, there are many different treatment methods, each method has its own advantages and disadvantages suitable for each different case So which new method is the best suitable to remove acid gas for Blue Whale gas field both in terms of technical requirements and economic efficiency? To solve the above problems, the thesis will include the following tasks: Understanding the overview of natural gas and Blue Whale gas field, about the process of treating acid gas Since then, propose suitable solutions to treat acid gas for the Blue Whale gas field The next step is to simulate selected options with the Aspen One software suite From there, evaluate the economy for the treatment of acid gas and give the best plan Keywords: Blue Whale gas; acid gas removal; chemical absorption; membrane; Aspen One software suite MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN VÀ MỎ KHÍ CÁ VOI XANH 1.1 Tổng quan khí thiên nhiên 1.1.1 Nguồn gốc .3 1.1.2 Thành phần khí thiên nhiên 1.1.3 Phân loại khí thiên nhiên 1.1.4 Tiềm khí việt nam .4 1.2 Tổng quan mỏ khí Cá Voi Xanh 1.2.1 Vị trí 1.2.2 Tầm quan trọng dự án 1.2.3 Thành phần CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ Q TRÌNH XỬ LÍ KHÍ ACID 2.1 Tác hại khí acid 2.2 Các phương pháp xử lý khí acid .7 2.2.1 Phương pháp hấp thụ 2.2.2 Phương pháp hấp phụ .9 2.2.3 Phương pháp thẩm thấu khí 10 2.2.4 Phương pháp chưng cất nhiệt độ thấp 12 CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XỬ LÍ KHÍ ACID CHO KHÍ MỎ CÁ VOI XANH 14 3.1 Phương pháp hấp thụ hố học dung mơi amine 14 3.2 Phương pháp thẩm thấu 15 CHƯƠNG TỔNG QUAN BỘ PHẦN MỀM ASPEN ONE 20 4.1 Giới thiệu phần mềm Aspen Custom Modeler 20 4.2 Giới thiệu phần mềm Aspen Properties Desktop 21 4.3 Giới thiệu phần mềm Aspen HYSYS .21 4.4 Giới thiệu phần mềm Aspen Process Economic Analyzer .22 CHƯƠNG MÔ PHỎNG CÁC PHƯƠNG ÁN KHẢ THI NHẰM LOẠI BỎ KHÍ ACID CHO KHÍ MỎ CÁ VOI XANH 24 5.1 Mô phương án sử dụng màng thẩm thấu (membrane) 24 5.1.1 Thuật tốn q trình mơ 24 5.1.2 Các bước tiến hành mô 24 5.1.3 Mô sơ đồ cơng nghệ bước có hồi lưu .31 5.1.4 Mô sơ đồ cơng nghệ giai đoạn có hồi lưu 33 5.1.5 Đánh giá công nghệ màng từ kết mô 34 5.2 Mơ phương án hấp thụ hố học 35 5.2.1 Cơ sở liệu mô .35 5.2.2 Tiến hành mô .39 5.2.3 Kết mô 40 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ TÍNH KINH TẾ CỦA CÁC PHƯƠNG ÁN XỬ LÍ KHÍ ACID 42 6.1 Các bước tiến hành đánh giá tính kinh tế 42 6.2 Đánh giá tính kinh tế cho phương án Membrane 44 6.3 Đánh giá tính kinh tế cho phương án hấp thụ hoá học 45 6.4 So sánh lựa chọn phương án tối ưu 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ACM APEA CFZ Aspen Custom Modeler Aspen Process Economic Analyzer Controlled Freezing Zone CVX DEA Cá Voi Xanh Diethanolamine DGA DIPA DMEPEG Diglycolamine Diisopropanolamine Dimethyl ether polyethylene glycol GPM HC Gallon Per Minute Hydrocarbon KTN MDEA MEA Membrane Khí thiên nhiên Methyl diethanolamine Monoethanolamine Màng lọc MMSCFD Million Standard Cubic Feet Per Day NGL NMP Offshore Permeate ppmv Retentate RSH Natural Gas Liquids N-Methyl-2-pyrrolidone Ngồi khơi Dịng khí qua màng lọc (Giàu CO2, H2S) Phần triệu thể tích Dịng khí khơng qua màng lọc (Giàu hydrocarbon) Mercaptan % vol UOP Phần trăm thể tích Universal Oil Product DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng 1.1 Thành phần hóa học (% thể tích) khí tự nhiên khí đồng hành số mỏ khí Việt Nam Trang 1.2 Thành phần mỏ khí Cá Voi Xanh 2.1 Tính chất vật lý số dung mơi vật lý 2.2 Tính chất hố lý dung môi amine 3.1 So sánh amine sử dụng cho trình hấp thụ hoá học 15 5.1 Độ chọn lọc hệ số thẩm thấu cấu tử màng lọc 31 5.2 Kết mô công nghệ bước có hồi lưu 33 5.3 Kết mơ trường hợp giai đoạn có hồi lưu 34 5.4 So sánh kết từ cơng nghệ xử lí 35 5.5 Giá trị K loại Amine 36 5.6 Thơng số dịng Lean Amine 36 5.7 Kết mơ 40 5.8 So sánh khí sản phẩm thu từ phương án 40 6.1 Kết đánh giá tính kinh tế cho phương án Membrane 44 6.2 Chi phí màng lọc 44 6.3 Chi phí vận hành màng lọc 15 năm 44 6.4 Chi phí thực tế phương án Membrane 45 6.5 Kết đánh giá tính kinh tế phương án hấp thụ hố học 45 6.6 So sánh chi phí hai phương án 45 6.7 Chi phí phương án hấp thụ hố học sau 15 năm 46 6.8 Chi phí phương án membrane sau 15 năm 48 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1 Vị trí mỏ Cá Voi Xanh 2.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động trình Selexol 2.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động q trình khử acid cho khí dung mơi hấp thụ amine 2.3 Sơ đồ q trình khử acid hấp phụ 10 2.4 Nguyên lý hoạt động màng lọc 10 2.5 Cấu tạo màng lọc phẳng 11 2.6 Cấu tạo màng chùm sợi rỗng 11 2.7 Sơ đồ cơng nghệ q trình Ryan-Holme 12 2.8 Sơ đồ cơng nghệ q trình CFZ 12 3.1 So sánh hiệu sử dụng công nghệ loại bỏ CO2 15 3.2 Hình thể việc sử dụng hiệu không gian Skid 16 3.3 Sơ đồ công nghệ giai đoạn 17 3.4 Sơ đồ công nghệ giai đoạn 18 3.5 Sơ đồ công nghệ bước 18 4.1 Nguyên lý làm việc phần mềm ACM 20 4.2 Giao diện làm việc phần mềm ACM 21 4.3 Giao diện làm việc phần mềm Aspen Properties 21 4.4 Giao diện làm việc phần mềm HYSYS 22 4.5 Môi trường làm việc phần mềm Aspen Process Economic Analyzer 23 4.6 Đánh giá tính kinh tế trực tiếp phần mềm HYSYS 23 5.1 Lựa chọn cấu tử 24 5.2 Lựa chọn hệ phương trình nhiệt động 25 5.3 Nhập liệu đầu vào cho phần mềm ACM 25 5.4 Tạo model Membrane 26 5.5 Nhập code cho Model Membrane 27 5.6 Tạo biểu tượng cho Model Membrane 27 5.7 Tạo dòng nguyên liệu sản phẩm cho Membrane 28 5.8 Mơ hình membrane hồn thiện 28 5.9 Xuất file mơ từ ACM sang HYSYS 29 Số hiệu hình Tên hình Trang 5.10 Cài đặt Membrane vào HYSYS 29 5.11 Nhập cấu tử hệ nhiệt động cho phần mềm HYSYS 30 5.12 Cấu hình Model Membrane HYSYS 30 5.13 Sơ đồ mô công nghệ bước 31 5.14 Thông số vận hành máy nén 32 5.15 Thông số vận hành thiết bị làm mát 32 5.16 Sơ đồ mơ q trình giai đoạn 33 5.17 Thông số vận hành tháp hấp thụ 36 5.18 Thơng số dịng tháp hấp thụ 37 5.19 Thông số vận hành tháp tái sinh amine 37 5.20 Thơng số dịng tháp tái sinh amine 38 5.21 Thông số thiết bị trao đổi nhiệt 38 5.22 Thơng số dịng thiết bị trao đổi nhiệt 39 5.23 Sơ đồ mơ q trình xử lí khí acid phương pháp hấp thụ hố học 39 6.1 Thiết lập Scenario để đánh giá tính kinh tế 42 6.2 Đánh giá tính kinh tế sơ phần mềm HYSYS 43 6.3 Kết đánh giá tính kinh tế phần mềm HYSYS 43 6.4 Đồ thị lãi suất phải trả cho phương án hấp thụ hoá học 47 6.5 Đồ thị lãi suất phải trả cho phương án membrane 47 6.6 Đồ thị thể chi phí đơn vị sản phẩm cho hai phương án 49 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Võ Thị Thương, Trần Vĩnh Lộc nhóm tác giả Viện Dầu khí Việt Nam (2017), “Đánh giá đề xuất phương án cơng nghệ loại bỏ H2S khí từ mỏ Cá Voi Xanh”, Tạp chí dầu khí, tháng 02/2017 [2] Nguyễn Thị Thu Thuỷ, Kinh tế ngành – Giáo trình lưu hành nội [3] TS Lê Thị Như Ý, Cơng nghệ chế biến khí – Giáo trình lưu hành nội Tiếng Anh [4] Aspen HYSYS Ebook V8 [5] Diana Fernandes Rodrigues, Model development of a membrane gas permeation unit, Oct 2009 [6] Faizan Ahmad, K K Lau, A M Shariff, Ghulam Murshid, Process simulation and optimal design of membrane separation system for CO2 capture from natural gas, Computer and Chemical Engineering 36 (2012) 119 – 128 [7] Francis S.Manning, Oilfield Processing Of Petroleum Volume One: Natural Gas [8] Nguyen Huu Luong, Vo Nguyen Xuan Phuong, Le Phuc Nguyen, Truong Nhu Tung, Bui Hong Diem Vietnam Petroleum Institute, Orientations for treatment and deep processing of Ca Voi Xanh gas, PetroVietNam Journal, 7/2018 [9] MFM Isa, MA Azhar, Meeting technical challenges in developing high CO2 gas field offshore, 24th WGC Buenos Aires, Argentina, 2009 [10] Mohammad Hassan Murad Chowdhury, Simulation, Design and Optimization of Membrane Gas Separation, Chemical Absorption and Hybrid Processes for CO2 Capture [11] OUP Santi Kulprathipanja, Membrane Technology, 2011 [12] Runhong Qi, Modeling and Optimal Design of Spiral-Wound Membrane Systems for Gas Separations – P127 [13] Zee Ying Yeo, Thiam Leng Chew, Conventional processes and membrane technology for carbon dioxide removal from natural gas, Journal of Natural Gas Chemistry 21(2012)282–298 Trang web [14] https://www.pvgas.com.vn/en-us/news/khoi-đ244ng-si234u-du-an-mo-khi-cavoi-xanh-1, 10/3/2019 [15] http://vietnamnet.vn/vn/thoi-su/chinh-tri/som-ket-thuc-dam-phan-khai-thac-mokhi-ca-voi-xanh-403919.html, 10/3/2019 PHỤ LỤC  Code Membrane sử dụng phần mềm Aspen Custom Modeler: Model Membrane /* This model is of a gas permeation module model It assumes: - Cross flow with unhindered permeate withdrawl i.e permeate is removed from each cell and mixed to form the module permeate Retentate flows from one cell to the next - Isothermal conditions - Ideal gas behaviour - Constant permeabilities */ // Parameters and variables NCells as IntegerParameter (Description:"Number of cross flow cells", 100); A as Area (Description:"Total membrane area", Fixed); // (m2) L(ComponentList) as Notype (Description:"Permeability in m3(STP)/(m2 h bar)", Fixed); Lmol(ComponentList) as Notype bar))"); (Description:"Molar permeability (kmol/(m2 h PPerm as Pressure (Description:"Permeate pressure", Fixed); // (bar) ACell as Area (Description:"Area per cross flow cell (m2)"); FRet([0:NCells]) (kmol/h) FPerm([1:NCells]) (kmol/h) as Flow_Mol (Description:"Retentate mole flow from cell"); // as Flow_Mol (Description:"Permeate mole flow from cell"); ZRet(ComponentList,[0:NCells]) fraction in cell"); as ZPerm(ComponentList,[1:NCells]) fraction in cell"); RhoRet as hidden Dens_Mol; RhoPerm as hidden Dens_Mol; Molefraction as (Description:"Retentate mole (Description:"Permeate mole // Retentate molar density (kmol/m3) // Permeate molar density (kmol/m3) // Ports Inlet Molefraction as Input MoleFractionPort; Retentate as Output MoleFractionPort; // Permeate as Output MoleFractionPort; // Convert permeability to molar basis Lmol = L*1.01325 / (273.15*0.0831433); // Retentate inlet conditions FRet(0) = Inlet.F; For comp in ComponentList Do ZRet(comp,0) = Inlet.z(comp); EndFor // Balance equations for each cell ACell = A/NCells; For k in [1:NCells] Do FRet(k-1) = FRet(k) + FPerm(k); For comp in ComponentList Do FPerm(k) *ZPerm(comp,k) Permeate.P*ZPerm(comp,k)); = ACell * Lmol(comp) * (Retentate.P*ZRet(comp,k) - FRet(k-1)*ZRet(comp,k-1) = FRet(k)*ZRet(comp,k) + FPerm(k)*ZPerm(comp,k); EndFor sigma (foreach (comp in componentlist) ZPerm(comp,k)) = 1; EndFor // Retentate total flow and composition Retentate.F = FRet(NCells); For comp in ComponentList Do Retentate.z(comp) = ZRet(comp,NCells); EndFor // Permeate total flow and composition Permeate.F = Sigma(FPerm); For comp in ComponentList Do Permeate.F * Permeate.z(comp) FPerm(cell)*ZPerm(comp,cell)); = Sigma(Foreach (cell in [1:NCells]) EndFor // Other outlet stream conditions Retentate.T = Inlet.T; Retentate.P = Inlet.P; Permeate.T = Inlet.T; Permeate.P = PPerm; Call(Retentate.h) = pEnth_Mol_Vap(Retentate.T, Retentate.P, Retentate.z); Call(Permeate.h) Call(RhoRet) = pEnth_Mol_Vap(Permeate.T, Permeate.z); = pDens_Mol_Vap(Retentate.T, Retentate.P, Retentate.z); Call(RhoPerm) = pDens_Mol_Vap(Permeate.T, Retentate.v = 1/RhoRet; Permeate.v = 1/RhoPerm; End Permeate.P, Permeate.P, Permeate.z); ... xin đề xuất chọn đề tài cho luận văn ? ?Nghiên cứu đề xuất cơng nghệ xử lý khí acid cho khí thiên nhiên từ mỏ Cá Voi Xanh? ?? Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu, mơ nhằm đánh giá đề xuất phương án công nghệ. .. vấn đề nói trên, luận văn bao gồm nhiệm vụ sau: Tìm hiểu tổng quan khí thiên nhiên mỏ khí Cá Voi Xanh, q trình xử lý khí acid Từ đề xuất phương án phù hợp để xử lý khí acid cho mỏ khí Cá Voi Xanh. .. án công nghệ để xử lý khí acid cơng cụ phần mềm mô Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu đặc trưng khí mỏ Cá Voi Xanh - Nghiên cứu lựa chọn phương án cơng nghệ phù hợp để xử lý khí acid cho khí mỏ Cá