Đồ án chế biến khí tự nhiên phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp

Đồ án chế biến khí tự nhiên từ mỏ sư tử trắng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp tiết lưu dòng chất lỏng để đạt hiệu quả tách khí > 80%. Công nghệ và phương pháp chế biến khí trên thế giới hiện nay rất đa dạng và phong phú. Nhưng trong các công nghệ chế biến khí thì công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp được coi là phương pháp có hiệu quả và kinh tế hơn cả. Đồ án chuyên ngành hóa dầu

MỤC LỤC MỞ ĐẦU .3 PHẦN 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Giới thiệu chung khí tự nhiên khí đồng hành 1.1.1 Thành phần tính chất khí tự nhiên khí đồng hành [1] 1.1.2 Tình hình ngành cơng nghiệp khí Việt Nam .5 1.1.3 Lựa chọn khí để chế biến .7 1.2 Các phương pháp chế biến khí tự nhiên khí đồng hành 1.2.1 Phương pháp chế biến khí phương pháp ngưng tụ 1.2.2 Chế biến khí phương pháp hấp thụ 1.2.3 Chế biến khí phương pháp chưng cất 10 1.3 Cơ sở hố lý q trình ngưng tụ nhiệt độ thấp 10 1.3.1 Khái niệm trình ngưng tụ 10 1.3.2 Đặc điểm trình ngưng tụ .10 1.3.3 Quá trình chuyển pha khí đồng hành 11 1.3.3.1 Quá trình chuyển pha khí cấu tử [4] .11 1.3.3.2 Giản đồ pha hệ nhiều cấu tử 12 1.3.4 Hằng số cân pha 13 1.3.5 Phương pháp tính thành phần lỏng – 14 1.4 Tổng quan công nghệ chế biến khí phương pháp NNT .15 1.4.1 Phân loại sơ đồ công nghệ 15 1.4.2 Các cơng nghệ chế biến khí phương pháp NNT 16 1.4.2.1 Sơ đồ NNT bậc để nhận C3+ có chu trình làm lạnh sử dụng tác nhân propan tháp tách sơ etan .16 1.4.2.2 Sơ đồ NNT ba bậc nhận C3+ với chu trình làm lạnh propan 18 1.4.2.3 Sơ đồ NNT hai bậc để tách C3+ có tuabin giãn nở khí, tiết lưu dịng chất lỏng 19 1.4.2.4.Sơ đồ NNT hai bậc nhận C3+ có chu trình làm lạnh tổ hợp (chu trình làm lạnh ngồi propan, tiết lưu dòng chất lỏng) 20 1.4.2.5 Sơ đồ NNT hai bậc nhận C3+ có chu trình làm lạnh tổ hợp (chu trình làm lạnh ngồi propan, tiết lưu dòng chất lỏng tuabin giãn nở khí) 21 1.5 Phân tích lựa chọn cơng nghệ .22 1.5.1 So sánh công nghệ chế biến khí 22 1.5.1.1 NNT với HNT CNT 22 1.5.1.2 So sánh cơng nghệ NNT sử dụng chu trình làm lạnh làm lạnh 23 1.6.1 Thiết bị phân tách lỏng [5] 26 1.6.2 Tháp tách etan 27 1.6.3 Thiết bị trao đổi nhiệt 35 1.6.4 Thiết bị Turbo Expander 37 1.6.5 Thiết bị đun sôi đáy tháp 38 PHẦN II: TÍNH TỐN 40 2.1 Thông số nguyên liệu đầu vào 40 2.2 Mô công nghệ phần mềm Hysys .41 2.2.1 Xây dựng sở mô 41 2.2.2 Xây dựng lưu trình 41 2.3 Kết tính tốn phần mềm mô Hysys .52 2.3.1 Hệ số tách cấu tử nặng C3+ 52 2.3.2 Cân vật chất lượng thiết bị 53 2.3.3 Cân vật chất lượng tồn q trình 65 2.3.2.1.Cân vật chất trình 65 2.3.2.2.Cân lượng trình 65 2.4 Tính tốn thiết bị 65 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 MỞ ĐẦU Ngành dầu khí Việt Nam qua gần 60 năm xây dựng phát triển vươn lên trở thành ngành kinh tế quan trọng, trụ cột kinh tế Việt Nam Đặc biệt, ngày 23/7/2015, Bộ Chính trị có Nghị số 41-NQ/TW “Định hướng Chiến lược phát triển ngành Dầu khí Việt Nam đến năm 2025 tầm nhìn đến năm 2035”, khẳng định quan điểm: “Cơng nghiệp Khí Chế biến Dầu khí hai lĩnh vực Chiến lược phát triển ngành Dầu khí Việt Nam [10] Khí thiên nhiên hay khí đồng hành sau xử lý, trở thành nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường, thải CO2 NOx (là nhân tố gây nóng lên tồn cầu mưa acid) so với dầu than đá Do đa dạng thành phần mà khí thiên nhiên ứng dụng rộng rãi công nghiệp từ sản xuất lượng (điện, nhiên liệu) đến sản xuất nguyên liệu cho ngành hóa dầu Từ khí sản xuất sản phẩm quan trọng như: LPG, amoniac, metanol, etylen, propylen etylen, propylen nguyên liệu chiếm tỷ trọng lớn cơng nghiệp hóa dầu chặng đường xử lý khí gọi chế biến sâu khí thiên nhiên So với việc bán sử dụng khí ban đầu, việc chế biến sâu giúp gia tăng giá trị khí, tận dụng sử dụng hiệu nguồn tài nguyên, giúp chủ động tự lực việc đảm bảo an ninh lượng quốc gia.[11] Thủ tướng Chính phủ phê duyệt “Quy hoạch phát triển ngành cơng nghiệp Khí Việt Nam đến năm 2025, định hướng đến năm 2035”, đó, lần khẳng định quan điểm: “Đẩy mạnh đầu tư chế biến sâu khí thiên nhiên, đa dạng hóa sản phẩm nhằm nâng cao giá trị sử dụng khí hiệu sản phẩm khí kinh tế” Chính phủ u cầu phát triển lĩnh vực hóa dầu từ khí, tăng cường đầu tư chế biến sâu khí thiên nhiên để nâng cao giá trị gia tăng sản phẩm khí; tạo nguyên, nhiên, vật liệu để phục vụ phát triển sản xuất công nghiệp nước, hướng tới xuất khẩu… Và nhiệm vụ trọng tâm Quy hoạch tổng thể phát triển ngành cơng nghiệp Khí Việt Nam Từ đó, nhiệm vụ cụ thể đề như: Tiếp tục hoàn thiện hệ thống sở hạ tầng thu gom, vận chuyển, xử lý nguyên tắc sử dụng tối đa công suất hệ thống hạ tầng hữu; bước xây dựng hoàn thiện sở hạ tầng hệ thống kho chứa, nhập khẩu, phân phối LNG; đẩy mạnh đầu tư chế biến sâu khí thiên nhiên, đa dạng hóa sản phẩm nhằm nâng cao giá trị sử dụng khí, giảm tỷ trọng nhập siêu… Cơng nghệ phương pháp chế biến khí giới đa dạng phong phú Nhưng cơng nghệ chế biến khí cơng nghệ chế biến khí phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp coi phương pháp có hiệu kinh tế Vì đồ án trình bày “Chế biến khí phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp” 1.1 PHẦN 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT Giới thiệu chung khí tự nhiên khí đồng hành 1.1.1 Thành phần tính chất khí tự nhiên khí đồng hành [1] Những cấu tử khí tự nhiên khí đồng hành: metan, etan, propan, butan (n- iso-) Khí tự nhiên khai thác từ mỏ khí với thành phần chủ yếu metan (chiếm 98% thể tích) Những mỏ khí tự nhiên túi khí nằm sâu mặt đất Khí đồng hành khai thác từ mỏ dầu đồng thời với q trình khai thác dầu thơ Trong thành phần khí đồng hành ngồi cấu tử metan cịn có etan, propan, butan, hydrocacbon nặng chiếm hàm lượng đáng kể phạm vi thay đổi thành phần cấu tử khoảng rộng Ngoài thành phần khí tự nhiên khí đồng hành cịn có H2O, H2S hợp chất chứa lưu huỳnh CO2, N2, Heli Người ta cịn tiến hành phân loại khí dựa vào hàm lượng hydrocacbon từ propan trở lên Trong khí chứa 50g/m cấu tử propan, butan hydrocacbon nặng gọi khí béo Khí ứng dụng chế tạo xăng khí, khí hố lỏng (LPG) nguồn hydroacbon cho cơng nghệ tổng hợp hữu Cịn khí chứa mức 50g/m3 hydrocacbon nặng gọi khí gầy Và ứng dụng làm nhiên liệu cho công nghiệp đời sống, làm nguyên liệu cho công nghệ tổng hợp hữu cơ, sản xuất phân đạm Theo Chiến lược phát triển ngành Dầu khí Việt Nam đến năm 2025, tổng tiềm dầu khí Việt Nam dự báo, đánh giá khoảng 3,8 ÷ 4,2 tỷ dầu qui đổi Trong đó, khoảng 1,4 ÷ 1,5 tỷ dầu condensate 2,4 ÷ 2,7 nghìn tỷ m3 khí thiên nhiên Dưới số mỏ khí Việt Nam Mỏ Thàn h Phần Metal C1 Etan C2 Propan C3 Butan C4 Bạch Hổ (lô 09) 76,82 11,87 5,98 1,04 Rồng (lơ 09) Khí tự Khí đồng hành Rạng Đơng (lô 09) 84,77 7,22 3,46 1,70 76,54 6,89 8,25 0,78 77,62 10,04 5,94 2,83 Ruby (lô 09) 78,02 10,67 6,70 1,74 Condensat 0,32 1,30 0,50 0,97 0,38 C5+ N2 0,50 0,33 0,60 CO2 1,00 0,42 0,07 H2 S Bảng 1.1 Thành phần khí bể Cửu Long (% thể tích) Bảng 1.2 Thành phần khí Bể Nam Cơn Sơn(% theo thể tích) Đại Lan Tây Lan Đỏ Rồng Hải Thạch Mộc Tinh Mỏ Thành phần Metan(C1) Etan(C2) Propan(C3) Butan(C4) Condensat N2 Hùng (05-1a) 77,25 9,490 3,380 1,340 0,480 4,500 (06-1) 88,5 4,30 2,40 0,60 1,40 0,30 (06-1) 93,9 2,30 0,50 0,10 0,20 1,60 Đôi (11-2) 81,41 5,250 3,060 1,470 0,550 0,080 (05-2) (05-3) 81,00 5.200 2,800 1,500 4,700 0,110 89,44 3,800 1,480 0,710 0,540 0,150 1.1.2 Tình hình ngành cơng nghiệp khí Việt Nam Chính phủ vừa công bố Quyết định số 60/QĐ-TTg việc Phê duyệt Quy hoạch phát triển ngành cơng nghiệp Khí Việt Nam đến năm 2025, định hướng đến năm 2035 Quyết định mở năm 2017 khẩn trương nhiều trọng trách tồn ngành Cơng thương mà đặc biệt Tập đồn Dầu khí Việt Nam, có PV GAS Quan điểm phát triển Quy hoạch nhằm thực mục tiêu lĩnh vực công nghiệp Khí Chiến lược phát triển ngành Dầu khí Việt Nam đến năm 2025 định hướng đến năm 2035 Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Phát triển ngành cơng nghiệp khí Việt Nam gắn liền với chiến lược quy hoạch phát triển điện lực quốc gia, nhằm sử dụng hiệu nguồn nhiên liệu sạch, góp phần bảo đảm an ninh lượng quốc gia, giảm phát thải khí nhà kính Việc phát triển đồng bộ, hiệu ngành cơng nghiệp Khí liên kết với phát huy nguồn lực nước đẩy mạnh hợp tác quốc tế; nguyên tắc sử dụng tiết kiệm, hiệu quả, hợp lý nguồn tài nguyên nước; triển khai nhập khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) song song với việc thu gom nguồn khí nước để bổ sung cho nguồn khí suy giảm, trì khả cung cấp khí cho hộ tiêu thụ Đặc biệt, cần tiếp tục hoàn thiện hệ thống sở hạ tầng thu gom, vận chuyển, xử lý khí nguyên tắc sử dụng tối đa công suất hệ thống hạ tầng hữu, bước xây dựng hoàn thiện sở hạ tầng hệ thống kho chứa, nhập khẩu, phân phối LNG; Đẩy mạnh đầu tư chế biến sâu khí thiên nhiên, đa dạng hóa sản phẩm nhằm nâng cao giá trị sử dụng khí hiệu sản phẩm khí kinh tế Nền cơng nghiệp Khí Việt Nam tập trung đầu tư để hoàn chỉnh, đồng tất khâu, từ khai thác - thu gom - vận chuyển - chế biến - dự trữ - phân phối khí xuất nhập sản phẩm khí; đảm bảo thu gom 100% sản lượng khí lơ/mỏ mà PVN nhà thầu dầu khí khai thác Việt Nam Phấn đấu sản lượng khai thác khí nước giai đoạn 2016 - 2035 sau: Giai đoạn 2016 - 2020: Sản lượng khai thác khí đạt 10 - 11 tỷ m3/năm; Giai đoạn 2021 - 2025: Sản lượng khai thác khí đạt 13 - 19 tỷ m3/năm; Giai đoạn 2026 - 2035: Sản lượng khai thác khí đạt 17 - 21 tỷ m3/năm Về nhập khẩu, phân phối LNG, Chính phủ đạo nghiên cứu, tìm kiếm thị trường đẩy nhanh việc xây dựng hệ thống sở hạ tầng kho cảng để sẵn sàng tiếp nhận, nhập LNG với mục tiêu cho giai đoạn sau: Giai đoạn 2021 - 2025 đạt - tỷ m3/năm; Giai đoạn 2026 - 2035 đạt - 10 tỷ m3/năm Về phát triển thị trường tiêu thụ khí, nước ta tiếp tục phát triển thị trường điện thị trường trọng tâm tiêu thụ khí (bao gồm LNG nhập khẩu) với tỷ trọng khoảng 70 - 80% tổng sản lượng khí, đáp ứng nguồn nhiên liệu khí đầu vào để sản xuất điện Ngoài ra, Việt Nam định hướng phát triển lĩnh vực hóa dầu từ khí, tăng cường đầu tư chế biến sâu khí thiên nhiên để nâng cao giá trị gia tăng sản phẩm khí, tạo nguyên, nhiên, vật liệu để phục vụ phát triển sản xuất công nghiệp nước, hướng tới xuất khẩu, giảm tỷ trọng nhập siêu Tiếp tục trì mở rộng hệ thống phân phối khí cho hộ tiêu thụ công nghiệp, giao thông vận tải, sinh hoạt thị nhằm mục đích bảo vệ mơi trường nâng cao giá trị sử dụng khí Phát triển đồng hệ thống phân phối khí thấp áp hệ thống phân phối khí nén thiên nhiên (CNG) làm tiền đề để phát triển hệ thống phân phối khí cung cấp cho giao thơng vận tải Phấn đấu phát triển thị trường khí với quy mơ: Giai đoạn 2016-2020 đạt 11-15 tỷ m3/năm Giai đoạn 2021 - 2025 đạt 13-27 tỷ m3/năm Giai đoạn 2026-2035 đạt 23-31 tỷ m3/năm Để hoàn thiện sở hạ tầng tồn trữ, kinh doanh, phân phối khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), cần mở rộng công suất kho LPG hữu kết hợp với xây dựng kho LPG để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ nước với quy mô khoảng 3,5-4,0 triệu tấn/năm vào năm 2025 đạt quy mô khoảng 4,55,0 triệu tấn/năm vào năm 2035, bảo đảm đáp ứng yêu cầu dự trữ tối thiểu đạt 15 ngày cung cấp Phấn đấu đáp ứng 70% thị phần LPG toàn quốc Trước giới nguồn khí thu thường bị đốt bỏ chờ sử dụng nhiên liệu để đốt Điều gây lãng phí vừa làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường xung quanh lẽ khí tự nhiên khí đồng hành ta thu chất hydrocacbon phi hydrocacbon làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp khác Do năm gần nhiều nước giới đặc biệt nước phát triển đầu tư phát triển ngành công nghiệp chế biến khí cụ thể Cho đến Việt Nam khai thác mỏ dầu mỏ khí, hình thành cụm khai thác dầu quan trọng: - - - - Cụm mỏ thứ nhất: nằm vùng đồng Bắc Bộ gồm nhiều mỏ khí nhỏ, có Tiền Hải “C”, trữ lượng khoảng 250 m 3/khí, bắt đầu khai thác từ tháng 12 năm 1981 với 450 m 3/khí phục vụ cho cơng nghiệp địa phương nguồn ngun liệu cho cơng nghiệp khí tỉnh phía Bắc Cụm mỏ thứ hai: thuộc vùng biển Cửu Long, gồm chứa mỏ dầu: Bạch Hổ, Rồng, Rạng Đông, Ru Bi cụm quan trọng nay, cung cấp 96% sản lượng dầu toàn quốc Cụm mỏ thứ ba: vùng biển Nam Côn Sơn gồm mỏ dầu Đại Hùng khai thác mỏ khí phát khu vực xung quanh Lan Tây, Lan Đỏ, Hải Thạch, Mộc Tinh mỏ dầu khí Rồng Đơi Tây,… chuẩn bị đưa vào khai thác Cụm mỏ thứ tư: thềm lục địa Tây Nam bao gồm mỏ Bungakelwa Các nước khai thác dầu mỏ BungaOrkid, Bunga Parkma, Bunga Rây khu vực thoả thuận thương mại Việt Nam – Malaysia khu khai thác cung cấp khí lớn thứ hai sở đảm bảo phát triển khu cơng nghiệp dầu khí Cà Mau – Cần Thơ Với tiềm khí phong phú vậy, Việt Nam có nhiều điều kiện phát triển cơng nghiệp khai thác chế biến khí thúc đẩy mạnh kinh tế đưa đất nước ta lên tầm cao 1.1.3 Lựa chọn khí để chế biến Hiện nay, nguồn cung cấp khí đốt cho hộ tiêu thụ khu vực Đông Nam Bộ chủ yếu từ hai bể Nam Côn Sơn Cửu Long Tuy nhiên sụt giảm đáng kể sản lượng chất lượng nguồn cung cấp khí này, nên nhu cầu cấp thiết đặt phải tìm kiếm nguồn cung cấp với trữ lượng lớn ổn định đạt yêu cầu chất lượng tốt tương lai Q trình thăm dị khai thác thử cho tín hiệu tốt vùng bể Cửu Long với kiện đón nhận dịng sản phẩm khí mỏ Sư Tử Trắng vào ngày 15/11/2012 [20] Dự kiến Mỏ Sư Tử Trắng có trữ lượng tới 170 tỉ m3 khí so với khoảng 58 tỉ m3 khí với sản lượng khai thác 2,7 tỉ m3/năm mỏ Lan Tây-Lan Đỏ nằm bồn trũng Nam Côn Sơn Xuất phát từ nhu cầu sản lượng khí đốt sản phẩm khí LPG tăng đáng kể lượng cung cấp lại có chiều hướng giảm năm tới nên việc vận hành đưa vào hoạt động Dự án khí Nam Cơn Sơn (nguồn khí từ mỏ bể Nam Cơn Sơn Cửu Long) cần thiết Ở thời điểm nước ta có hai nhà máy chế biến khí Dinh Cố Nam Cơn Sơn hoạt động Trong phạm vi đồ án này, nhận thấy tiềm dồi nguồn khí đồng hành kết hợp với nhu cầu cung ứng cấp thiết sản phẩm thu từ công nghệ chế biến khí đồng hành LPG, condensat,… Em chọn nguồn cung cấp khí nguyên liệu từ mỏ Sư Tử Trắng Trữ lượng thành phần khí trình bày - Thành phần thơng số hỗn hợp khí: Bảng 1.3 Thành phần khí mỏ Sư Tử Trắng (% thể tích) [12] Cấu tử N2 CO2 CH4 C2 C3 iC4 nC4 iC5 nC5 Phần mol (%) 0.0874 0.0555 79.0977 9.0128 5.2973 1.654 2.326 0.6184 0.6463 Cấu tử C6 C7 C8 C9 Phần mol (%) 0.7420 0.3178 0.0895 0.0499 Hình 1.1 Các mỏ khí bể Cửu Long Nam Cơn Sơn [13] 1.2 Các phương pháp chế biến khí tự nhiên khí đồng hành 1.2.1 Phương pháp chế biến khí phương pháp ngưng tụ Tiến hành chế biến khí phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp (NNT) từ -25℃ đến -35℃, áp suất cao 3,0 – 4,0 MPa Đây coi phương pháp có hiệu kinh tế để chế biến khí tự nhiên khí đồng hành Khí đồng hành từ xí nghiệp khai thác dầu nén máy nén khí, sau làm lạnh đưa vào thiết bị sấy khí để tách ẩm Khí sau sấy đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt làm nguội đưa đến thiết bị ngưng tụ nhiệt độ thấp Tại đó, khí nén làm lạnh tới nhiệt độ âm cần thiết Tiếp theo, hỗn hợp khí đưa sang phận phân tách khí Ở đó, phần hydrocacbon ngưng tụ tách Phần ngưng tụ (gọi condensat) bậc nén làm lạnh khí đồng hành bơm từ thùng chứa qua phận trao đổi nhiệt sang cột tách etan Tại phân đoạn chứa metan etan tách Sau benzin phần ngưng tụ tách metan etan qua thiết bị trao đổi nhiệt vào bình chứa, từ đưa chế biến tiếp Phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp để tách benzin từ khí đồng hành phương pháp tốn kém, để thực cần có thiết bị làm lạnh phức tạp Tuy nhiên sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản, mà hiệu tách benzin khỏi khí đồng hành cao triệt để nên phương pháp ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp chế biến khí 1.2.2 Chế biến khí phương pháp hấp thụ Ngồi chế biến khí phương pháp ngưng tụ người ta cịn áp dụng phương pháp hấp thụ để chế biến khí Phương pháp dựa sở trình chuyển khối bản: hấp thụ nhả hấp thụ Bản chất vật lý trình cân dịng khí dịng lỏng khuếch tán chất từ pha sang pha khác Khi đạt cân bền động lực, khuếch tán xác định hiệu số áp suất riêng phần cấu tử bị tách pha khí pha lỏng Nếu áp suất riêng phần cấu tử pha khí lớn pha lỏng xảy trình hấp thụ (hấp thụ khí chất lỏng) Ngược lại, áp suất riêng phần cấu tử bị tách pha khí nhỏ pha lỏng xảy q trình nhả hấp thụ (thốt khí khỏi chất lỏng) Đối với tính tốn thực tế, động lực q trình hấp thụ biểu thị xác không qua áp suất riêng phần mà qua nồng độ cấu tử tương ứng Tại nhà máy chế biến khí, q trình hấp thụ nhả hấp thụ thực tháp hấp thụ tháp nhả hấp thụ (tháp chưng luyện) có cấu tạo kiểu tháp đĩa tháp đệm, chất hập thụ dùng phân đoạn benzin, kerosen hỗn hợp chúng 1.2.3 Chế biến khí phương pháp chưng cất Sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp (CNT) thực trình tách cấu tử định trước hiệu sơ đồ hấp thụ nhiệt độ thấp (HNT) thiết bị chế tạo đơn giản Khác mặt nguyên lý hai sơ đồ CNT NNT chỗ nguyên liệu vào thiết bị sau làm lạnh khơng có tách sơ mà đưa thẳng vào tháp chưng Tại xảy phân tách riêng biệt khí ngun liệu thành khí khơ (thoát từ đỉnh tháp) phân đoạn hydrocacbon nặng (lấy từ đáy tháp) Với sơ đồ công nghệ chế biến khí nói ta rút số nhận xét sau: Từ ưu điểm phạm vi cơng dụng cơng nghệ phương pháp chế biến khí NNT đem lại hiệu cao Phương pháp phù hợp với điều kiện chế biến khí đồng hành với suất cơng nghệ vừa nhỏ, hệ số tách cấu tử 75% propan Mặt khác, tình hình kinh tế đất nước cơng nghệ chế biến khí đơn giản, khả thi 1.3 Cơ sở hố lý q trình ngưng tụ nhiệt độ thấp 1.3.1 Khái niệm trình ngưng tụ Ngưng tụ q trình chuyển khí sang trạng thái lỏng cách làm lạnh khí nén làm lạnh khí đồng thời Có hai phương pháp để tiến hành trình ngưng tụ: - - Q trình ngưng tụ gián tiếp (hay cịn gọi ngưng tụ bề mặt): trình tiến hành thiết bị trao đổi nhiệt có tường ngăn cách khí tác nhân làm lạnh ngược chiều Tác nhân làm lạnh cho từ lên để tránh dịng đối lưu tự nhiên cản trở q trình chuyển động lưu thể Khí từ xuống để chất lỏng ngưng tụ chảy dọc xuống tự dễ dàng Quá trình ngưng tụ trực tiếp (hay gọi ngưng tụ hỗn hợp): tiến hành cách cho khí tác nhân làm lạnh tiếp xúc trực tiếp với Tác nhân làm lạnh phun trực tiếp vào khí sau ngưng tụ lại thành lỏng thiết bị ngưng tụ trực tiếp thường không đặt giá trị phân chia cao Nên chất lỏng ngưng tụ trộn lẫn với tác nhân làm lạnh 10 Tổng Sai số (kg/h) Sai số (%) Dòng vào 10 1.561e+5 Năng lượng (btu/h) -5.887e+8 Tổng Sai số (btu/h) Sai số (%) -5.887e+8 vap Tổng -5.116e-11 1.044e+5 1.561e+5 Dòng liq vap Tổng 9.931e-8 Năng lượng (btu/h) -1.486e+8 -4.401e+8 -5.887e+8 - Thiết bị trao đổi nhiệt LNG-103: Dòng vào Vap1 Vap3 Tổng Sai số (kg/h) Sai số (%) Lưu lượng (kg/h) 1.044e+5 9.054e+4 1.949e+5 Dòng Lưu lượng (kg/h) 13 1.044e+5 Gas out 9.054e+4 Tổng 1.949e+5 0 Dòng vào Vap1 Vap3 Tổng Sai số (btu/h) Sai số (%) Năng lượng (btu/h) -4.401e+8 -4.050e+8 -8.451e+8 Dòng Năng lượng (btu/h) 13 -4.476e+8 Gas out -3.975e+8 Tổng -8.451e+8 -8.312e-4 - Van tiết lưu VLV-100: Dòng vào Liq1 Tổng Sai số (kg/h) Sai số (%) Dòng vào Liq1 Lưu lượng (kg/h) 5.170e+4 5.170e+4 Năng lượng (btu/h) -1.486e+8 Dòng 11 Tổng 0 Dòng 11 Lưu lượng (kg/h) 5.170e+4 5.170e+4 Năng lượng (btu/h) -1.486e+8 62 Tổng Sai số (btu/h) Sai số (%) -1.486e+8 Tổng 0 -1.486e+8 - Thiết bị tách hai pha Separator V – 101:  Thành phần dòng Dòng Methane Ethane Propane i-Butane n-Butane i-Pentane n-Pentane n-Hexane n-Heptane n-Octane n-Nontane N2 CO2 H2S 13 0.896789 0.073194 0.021345 0.003165 0.003141 0.000345 0.000256 0.000086 0.000011 0.000001 0.000000 0.001109 0.000558 0.000000 Liq2 0.426055 0.238358 0.211287 0.050703 0.057107 0.007467 0.005754 0.002054 0.000270 0.000023 0.000004 0.000146 0.000771 0.000000 Vap2 0.916965 0.066115 0.013204 0.001127 0.000828 0.000039 0.000021 0.000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.001150 0.000549 0.000000  Cân vật chất lượng Dòng vào 13 Tổng Sai số (kg/h) Sai số (%) Dòng vào 13 Lưu lượng (kg/h) 1.044e+5 1.044e+5 Năng lượng (btu/h) -4.476e+8 Tổng -4.476e+8 Sai số (btu/h) Sai số (%) - Van tiết lưu VLV-101: Dòng Lưu lượng (kg/h) Liq2 7335 Vap2 9.703e+4 Tổng 1.044e+5 1.279e-11 Dòng Liq2 Vap2 Tổng 0 Năng lượng (btu/h) -2.422e+7 -4.233e+8 -4.476e+8 63 Dòng vào Liq2 Lưu lượng (kg/h) 7335 Tổng Sai số (kg/h) Sai số (%) Dòng vào Liq2 Tổng Sai số (btu/h) Sai số (%) Dòng 14 7335 Lưu lượng (kg/h) 7335 Tổng 0 Năng lượng (btu/h) -2.422e+7 Dòng 14 -2.422e+7 Tổng 0 7335 Năng lượng (btu/h) -2.422e+7 -2.422e+7 - Tuabin giãn nở khí K-100: Dịng vào Vap2 Tổng Sai số (kg/h) Sai số (%) Dòng vào Vap2 Tổng Sai số (btu/h) Sai số (%) Lưu lượng (kg/h) 9.703e+4 Dòng 15 9.703e+4 Tổng 0 Năng lượng (btu/h) -4.223e+8 -2.422e+7 Lưu lượng (kg/h) 9.703e+4 9.703e+4 Dòng Năng lượng (btu/h) 15 -4.271e+8 Qe 3.793e+6 Tổng -4.223e+8 -4.965e-8 - Thiết bị tách hai pha Separator V – 102:  Thành phần dòng Dòng Methane Ethane Propane i-Butane n-Butane 15 0.916965 0.066115 0.013204 0.001127 0.000828 Liq3 0.360584 0.361423 0.229811 0.025748 0.019789 Vap3 0.939837 0.053975 0.004299 0.000115 0.000048 64 i-Pentane n-Pentane n-Hexane n-Heptane n-Octane n-Nontane N2 CO2 H2S 0.000039 0.000021 0.000002 0.000000 0.000000 0.000000 0.001150 0.000549 0.000000 0.000986 0.000521 0.000050 0.000002 0.000000 0.000000 0.000080 0.001008 0.000000 0.000001 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.001194 0.000530 0.000000  Cân vật chất lượng Dòng vào 15 Tổng Sai số (kg/h) Sai số (%) Dòng vào 15 Tổng Sai số (btu/h) Sai số (%) Lưu lượng (kg/h) 9.703e+4 9.703e+4 Năng lượng (btu/h) -4.271e+8 -4.271e+8 Dòng Lưu lượng (kg/h) Liq3 6496 Vap3 9.054e+4 Tổng 9.703e+4 -2.558e-11 Dòng Liq3 Vap3 Tổng -4.965e-8 Năng lượng (btu/h) -2.212e+7 -4.050e+8 -4.271e+8 - Tháp chưng tách etan T-100 :  Thành phần dòng Dòng Methane Ethane Propane i-Butane n-Butane i-Pentane n-Pentane n-Hexane n-Heptane 14 0.426055 0.238358 0.211287 0.050703 0.057107 0.007467 0.005754 0.002054 0.000270 12 0.301504 0.168464 0.199280 0.078413 0.116328 0.033196 0.035174 0.041345 0.017827 Liq3 0.360584 0.361423 0.229811 0.025748 0.019789 0.000986 0.000521 0.000050 0.000002 Vap4 0.615767 0.382755 0.000100 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 Liq4 0.000000 0.000100 0.435885 0.144287 0.203659 0.054227 0.056677 0.065070 0.027870 65 n-Octane n-Nontane N2 CO2 H2S 0.000023 0.000004 0.000146 0.000771 0.000000 0.005031 0.002807 0.000104 0.000528 0.000000 0.000000 0.000000 0.000080 0.001008 0.000000 0.000000 0.000000 0.000201 0.001177 0.000000 0.007849 0.004376 0.000000 0.000000 0.000000  Cân vật chất lượng Dòng vào Liq3 12 14 Tổng Sai số (kg/h) Sai số (%) Lưu lượng (kg/h) 6496 5.170e+4 7335 6.553e+4 Dòng Liq4 Vap4 Dòng vào Liq3 12 14 Reb Tổng Sai số (btu/h) Sai số (%) Năng lượng (btu/h) -2.212e+7 -1.377e+8 -2.422e+7 3.372e+7 -1.504e+8 Dòng Liq4 Vap4 Lưu lượng (kg/h) 4.607e+4 1.946e+4 Tổng 0 6.553e+4 Năng lượng (btu/h) -1.047e+8 -7.119e+7 Cond Tổng -822.4 2.552e+7 -1.504e+8 - Thiết bị trộn dòng MIX-102 :  Thành phần dòng Dòng Methane Ethane Propane i-Butane n-Butane i-Pentane n-Pentane n-Hexane n-Heptane n-Octane n-Nontane Vap4 0.615767 0.382755 0.000100 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 Gas out 0.939837 0.053975 0.004299 0.000115 0.000048 0.000001 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 Mix out 0.892781 0.101715 0.003690 0.000098 0.000041 0.000001 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 66 N2 CO2 H2S 0.000201 0.001177 0.000000 0.001194 0.000530 0.000000 0.001050 0.000624 0.000000  Cân vật chất lượng Dòng vào Vap4 Gas out Tổng Sai số (kg/h) Sai số (%) Lưu lượng (kg/h) 1.946e+4 9.054e+4 1.100e+5 Dòng Mix out Dòng vào Vap4 Gas out Tổng Sai số (btu/h) Sai số (%) Năng lượng (btu/h) -7.119e+7 -3.975e+8 -4.687e+8 Dòng Mix out Tổng -2.558e-11 Tổng 0 Lưu lượng (kg/h) 1.100e+5 1.100e+5 Năng lượng (btu/h) -4.687e+8 -4.687e+8 - Máy nén khí K-101 Dịng vào Dry gas Lưu lượng (kg/h) 1.100e+5 Tổng Sai số (kg/h) Sai số (%) Dòng vào Dry gas Qe Tổng Sai số (btu/h) Sai số (%) 1.100e+5 Năng lượng (btu/h) -4.571e+8 3.793e+8 -4.533e+8 Dòng 20 Tổng 0 Dòng 20 Tổng 0 Lưu lượng (kg/h) 1.100e+5 1.100e+5 Năng lượng (btu/h) -4.533e+8 -4.533e+8 - Máy nén khí K-102 Dịng vào 20 Lưu lượng (kg/h) 1.100e+5 Dòng 21 Lưu lượng (kg/h) 1.100e+5 67 Tổng Sai số (kg/h) Sai số (%) Dòng vào 20 Qk Tổng Sai số (btu/h) Sai số (%) 1.100e+5 Năng lượng (btu/h) -4.533e+8 1.343e+7 -4.399e+8 Tổng 0 Dòng 21 Tổng 0 1.100e+5 Năng lượng (btu/h) -4.399e+8 -4.399e+8 - Thiết bị làm lạnh khơng khí AC-100 : Dòng vào 21 Tổng Sai số (kg/h) Sai số (%) Dòng vào 21 Tổng Sai số (btu/h) Sai số (%) Lưu lượng (kg/h) 1.100e+5 1.100e+5 Năng lượng (btu/h) -4.399e+8 -4.399e+8 Dòng Sale gas Tổng 0 Dòng Sale gas Qa Tổng 0 Lưu lượng (kg/h) 1.100e+5 1.100e+5 Năng lượng (btu/h) -4.546e+8 1.476e+7 -4.399e+8 68 2.3.3 Cân vật chất lượng toàn trình 2.3.2.1 Cân vật chất trình Sử dụng phần mềm Aspen Hysys V7.3, nhấp vào Flowsheet Summary công cụ, hộp thoại Flowsheet Summary xuất Trong phần Mass/Energy Balance, ta thu cân vật chất tồn q trình Kết thu sau: Dòng vào Feed Tổng Sai số (kg/h) Sai số (%) Lưu lượng (kg/h) 1.561e+5 1.561e+5 Dòng Liq4 Sale gas Tổng -5.116e-11 Lưu lượng (kg/h) 4.607e+4 1.100e+5 1.561e+5 Có thể thấy sai số nhỏ lưu lượng dòng dòng vào trình chênh lệch 5,116e-11 kg/h, coi 0,00% Như vậy, cân vật chất đạt cho tồn q trình 2.3.2.2 Cân lượng trình Bằng cách thao tác tương tự trên, ta thu kết cân lượng sau: Dòng vào Feed Reb Qk Qa Tổng Sai số (btu/h) Sai số (%) Năng lượng (btu/h) -5.594e+8 3.372e+7 1.343e+7 -5.122e+8 Dòng Q2 Q3 Cond Liq4 Sale gas Qa Tổng -816.8 Năng lượng (btu/h) 3.370e+6 3.471e+6 2.552e+7 -1.047e+8 -4.546e+8 1.476e+7 -5.122e+8 Sai số cân lượng -816.8 Btu/h, gần không đáng kể, coi 0,00% Như vậy, mô coi đạt cân lượng 1.2 Tính tốn thiết bị Trong sơ đồ cơng nghệ có, thiết bị tính tốn tháp chưng tách etan T-100 Các thông số tháp thiết lập phần mềm Hysys trình bày phần Cụ thể số liệu có là: 69 Nguyên liệu Số đường lỏng vào Đỉnh Đáy Hồi lưu Số đĩa Một số sở chọn thông số đĩa: 1 18 - Số lượng đường dẫn chất lỏng đĩa [6]: Số lượng đường dẫn nên giữ nhỏ tốt Số đường dẫn chất lỏng tăng làm giảm hiệu suất đĩa, tăng khả phân phối không chất lỏng đĩa tăng chi phí đầu tư Để tránh việc đường dẫn ngắn làm giảm hiệu suất đĩa, ta nên chọn số đường dẫn lỏng tháp chưng T-101 - Khoảng cách đĩa (Tray Spacing): Thông thường khoảng cách đĩa 18 – 24 inch Tuy nhiên tháp có đường kính vượt q khoảng từ 10-20 ft (khoảng 3,048 – 6,096 m), khoảng cách đĩa nên chọn từ 24 đến 36 inch [7] Đối với Tháp chưng T-100 ta chọn khoảng cách đĩa 20 inch (0,5080 m) Do đó, chiều cao tháp tương ứng là: H = 0,5080*(n – 1) + t*n, đó:  H: chiều cao tháp đĩa van  n: số đĩa  t: chiều dày đĩa, t=0,004m - Chọn giá trị Mức độ tạo bọt (Foam factor) Chọn giá trị Foam factor = 1,0 hydrocacbon [7] Sử dụng phần mềm Hysys, chức Ultilities/ Tray sizing để tính tốn đường kính tháp biết khoảng cách đĩa tháp sau: Vào thiết lập Tray Sizing tháp chưng T – 101, nhập thông số Tray Space 0.508m Khi thơng số kĩ thuật tháp thu là: 70 Như ta thơng số tháp chưng là: - Chiều cao làm việc tháp: 8.708 m Chiều cao tháp tính tốn 8708 mm, chiều cao khoảng làm đĩa, tức chưa tính nắp đỉnh tháp đáy tháp Như sau thiết kế, chiều cao thực tế tháp 11368 mm - Đường kính tháp chưng: 1.500 m - Chọn van: Loại van sử dụng Van FLVT tiêu chuẩn Boegger, chân, làm Thép khơng gỉ loại 304 71 Hình 2.2 Hình ảnh thực tế Van loại FLVT Thông thường công nghiệp, đường kính lỗ nắp van 1,5 inch inch Độ mở van mở hết cỡ vào khoảng 10 – 15% Chiều cao mở van: 8-10 mm [16] Khoảng cách phần đỉnh cao van đĩa phía phải đảm bảo 12 inch, thông thường công nghiệp người ta thường lấy 18 inch - Lựa chọn vật liệu: Van sử dụng tháp chưng cần có khối lượng đủ nặng để tránh tượng tụt lỏng (weeping) Tuy nhiên van nặng độ giảm áp tháp tăng chi phí đầu tư lớn Hình 2.3 Vật liệu thơng thường dùng cho tháp đĩa van [8] Hình 2.4 Xếp hạng giá thành loại vật liệu [7] 72 Tùy thuộc vào điều kiện hành áp suất nhiệt độ mà ta lựa chọn loại vật liệu chế tạo Tuy nhiên thực tế thường sử dụng loại vật liệu thép cacbon, thép không gỉ 304/306 Dựa vào bảng trên, điều kiện vận hành khắc nghiệt điều kiện thời tiết trường Việt Nam, chọn loại vật liệu dùng để chế tạo van tháp chưng Thép khơng gỉ S304 có khối lượng riêng 504 lb/ft3 tương đương 8000 kg/m3 để tránh tình trạng ăn mịn sử dụng lâu dài - Lựa chọn ống chảy truyền: Việc tính tốn ống chảy truyền phức tạp Tuy nhiên, thực tế chiều cao ống chảy chuyền khoảng 40 – 80mm phù hợp với hầu hết chế độ bọt trình [16] 73 KẾT LUẬN Qua đồ án “Chế biến khí phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp”, em tìm hiểu kiến thức trình chế biến khí, cụ thể phương pháp chế biến khí phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp để nhận C3+ có chu trình làm lạnh hỗn hợp sử dụng turbo – expander tiết lưu dòng chất lỏng Từ đó, tính tốn, thiết kế mơ sơ sơ đồ cơng nghế chế biến khí từ mỏ Sư Tử Trắng với công suất triệu m3 khí/ngày phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp với hiệu suất tách C3+ đạt 97.11% Đây phương pháp chế biến khí cho hiệu suất khả ứng dụng cao kỹ thuật kinh tế tình hình đất nước ta Những nội dung em thực được: - - - Tìm hiểu tổng quan khí tự nhiên, khí dầu mỏ, cân pha hỗn hợp khí cơng nghệ chế biến khí sử dụng Tình hình khai thác chế biến khí tự nhiên nước ta Tìm hiểu chi tiết cơng nghệ chế biến khí phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp với chu trình làm lạnh Xây dựng sơ đồ cơng nghệ chế biến khí dầu mỏ thu C3+ NNT làm lạnh hỗn hợp sử dụng turbo – expander tiết lưu dịng chất lỏng Mơ cơng nghệ thiết kế phần mềm Hysys V7.3, sử dụng tiện ích để tính tốn cân vật chất, cân lượng tính tốn thiết bị Em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn nhiệt tình, tận tâm giúp đỡ anh chị, bạn bè Qua hướng dẫn mà em hồn thành chỉnh chu đồ án này, nhiên đơi chỗ cịn thiếu sót mong góp ý để em sửa sai, rút kinh nghiệm hoàn thiện thân 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Minh Hiền, Cơng nghệ chế biến khí tự nhiên khí đồng hành, NXB khoa học kỹ thuật, 2010 [2] Nguyễn Thị Minh Hiền , Hysys mơ cơng nghệ hóa học, NXB khoa học kỹ thuật [3] Donald L Katz, Handbook of Natural gas Engineering, Mc Graw-Hill Book Company, New York, 1959 [4] Campbell J.M, Gas Conditioning and Processing, Volume 1: The Basic Principles Campbell Petroleum Series Norma, Oklahoma October 1994 [5] GPSA Engineering Data Book, Vol I&II, 2004 [6] Henry Z Kister, Distillation Design, 1992 [7] Henry Z Kister, Distillation Operation, First Edition, 1990 [8] Ernest E Ludwig, Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plant, Vol 2, Fourth Edition, 2010 [9] Campbell J.M, Gas Conditioning and Processing, Volume 2: The Basic Principles, 9th edition Campbell Petroleum Series Norma, Oklahoma 2014 [10] PetroVietnam, “Sự trưởng thành vượt bậc ngành Dầu khí Việt Nam,” https://petrovietnam.petrotimes.vn/, 24-Nov-2020 [Online] Available: https://petrovietnam.petrotimes.vn/su-truong-thanh-vuot-bac-cua-nganhdau-khi-viet-nam-586564.html [Accessed: 08-Apr-2021] [11] N Khánh, “Vai trị khí thiên nhiên tiến trình phát triển đất nước,” INDOCHINA GAS, 17-Aug-2020 [Online] Available: https://indochinagas.com.vn/vai-tro-cua-khi-thien-nhien-trong-tien-trinhphat-trien-dat-nuoc [Accessed: 08-Apr-2021] [12] Gas Sample, Cuu Long JOC, Su Tu Trang Composition [13] "Mỏ Sư Tư Trắng Chiến lược phát triển Cơng nghiệp khí Việt Nam", Nangluongvietnam.vn, 2021 [Online] Available: http://nangluongvietnam.vn/news/vn/dau-khi-viet-nam/mosu-tu-trang-trong-chien-luoc-phat-trien-cong-nghiep-khi-vietnam.html [Accessed: 08- Apr- 2021] 75 [14] G J Suppes, Heuristics in Heuristics in Chemical Chemical Engineering, February, 2002 [15] Stanley M Walas, Chemical Process Equipment Selection Chemical Process Equipment Selection and Design Butterworth Published by ButterworthHeinemann, Heinemann, Heinemann, Boston, 1990 [16] Nhiều tác giả, Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa học, tập NXB Khoa học kỹ thuật, 2006 76