Khí sau Slug Catcher có một lượng tạp chất cơ học không mong muốn sinh ra từ quá trình khai thác trong các mỏ, cặn rỉ sắt trong đường ống sinh ra trong quá trình vận chuyển khí. Ngoài ra tạp chất cơ học phát sinh trong khí từ quá trình chế biến do sử dụng các chất hấp phụ để tách loại nước, khử chua khí… Sự có mặt của các tạp chất cơ học này sẽ dẫn đến gây tắc nghẽn đường ống, van trong quá trình vận chuyển và chế biến, làm nhiễm bẩn sản phẩm, gây hư hỏng thiết bị do va đập, đặc biệt đối với các thiết bị quay có tốc độ quay cực lớn như Turbo Expander, máy nén, máy bơm.. Do vậy các hợp chất này phải được tách loại hoàn toàn trước khi chế biến khí.
Với những ưu điểm như hiệu suất tách tạp chất cơ học cao (99 – 99.99%) với các tạp chất cơ học có kích thước từ 10trở lên, thiết bị tĩnh nên dễ dàng cho vận hành và kiểm soát (chỉ cần kiểm soát chênh áp qua thiết bị lọc). Do đó đề xuất chọn phương pháp lọc tạp chất cơ học ra khỏi khí dùng Filter lọc.
Do Slug Catcher tách lỏng không triệt để nên đề xuất kết hợp thiết bị tách tạp chất cơ học với tách lỏng tăng cường (Filter Separator) nhằm tách triệt để lỏng bị cuốn theo dòng khí ra từ Slug Catcher.
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 41 SVTH: Hoàng Trung Kiên
4.6.3. Lựa chọn hệ thống làm sạch CO2 có trong khí nguyên liệu
Dựa vào thành phần các hợp chất của nguyên liệu vào Nhà máy, ta thấy hàm lượng CO2 khoảng 4.197% với hàm lượng này thì khí nguyên liệu vào Nhà máy thuộc loại khí chua (hàm lượng CO2 > 2%). Hàm lượng CO2 trong khí cao sẽ gây ăn mòn thiết bị vận chuyển và chế biến. Ngoài ra với hàm lượng CO2 sẽ dẫn đến giảm nhiệt trị của khí, giảm giá trị sử dụng khí và CO2 còn tạo hỗn hợp đẳng phí với Etan do vậy cần phải tách loại hoàn toàn.
Người ta thường làm ngọt khí bằng phương pháp hấp thụ hóa học, sử dụng dung môi hấp thụ là nước của các alkanol amine, đáng chú ý là Mono Ethanol Amine (MEA) và MDEA được sử dụng rộng rãi hiện nay.
Công nghệ của quá trình như sau:
Hình 4.2. Công nghệ hấp thụ khí acid bằng MEA
Sơ đồ công nghệ trên có những ưu điểm như sau:
-MEA có tính base mạnh nhất, nhiệt tỏa ra trong hấp thụ cao nhất khoảng 455 Kcal/1kg H2S, 284 Kcal/1kg CO2. Chính vì vậy mà MEA cho phép loại acid triệt để nhất. Hàm lượng khí ngọt có thể đạt được 4ppmv, khả
năng hấp thụ MEA là 0.03 – 0.04 mole H2S/mole MEA.
-Nhờ khả năng hấp thụ tốt, phân tử nhỏ nên người ta dùng dung dịch có nồng độ không cao thường từ 10 – 20% khối lượng, trong khi đó các dung
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 42 SVTH: Hoàng Trung Kiên
dịch anime khác cần nồng độ cao hơn, đối với DEA từ 20 – 30% khối lượng, còn DGA khoảng 50 – 70% khối lượng.
-Amine MEA có thể phản ứng với các hợp chất như COS, CS2 . . . song hợp chất tạo ra không phân hủy trong quá trình tái sinh.
-Qua trình hấp thụ H2S và CO2 bằng MEA xảy ra ở áp suất cao và nhiệt độ từ 250C – 400C, quá trình tái sinh chất hấp thụ được thực hiện ở áp suất gần áp suất khí quyển và nhiệt độ cao khoảng trên 1500C.
4.6.4. Lựa chọn phương pháp làm khô khí
Như đã đề cập ở trên, nhiệt độ điểm sương đối với nước trong khí đầu vào là 27.620C. Trong khi theo yêu cầu sản phẩm khí có nhiệt độ điểm sương của nước ở áp suất 45 bar là phải nhỏ hơn 50C, do đó khí này được xếp vào loại khí có hàm ẩm cao, không đảm bảo chất lượng sản phẩm đầu ra và cần phải được tách loại nước.
Ngoài ra nước có mặt trong khí khi ở điều kiện nhiệt độ, áp suất thích hợp sẽ tạo thành các tinh thể hydrate làm ảnh hưởng đến quá trình vận hành của các thiết bị trong quá trình chế biến khí (như bơm, quạt, máy nén . . .), ngoài ra sự có mặt của hơi nước và các hợp chất chứa lưu huỳnh sẽ làm tiền đề thúc đẩy sự ăn mòn kim loại, làm giảm tuổi thọ và thời gian sử dụng thiết bị.
Lựa chọn phương pháp loại nước
Có nhiều phương pháp làm khô khí, tuy nhiên tùy thuộc vào hàm lượng nước đầu vào, yêu cầu điểm sương theo mong muốn và cách lựa chọn công nghệ chế biến khí mà ta lựa chọn các phương pháp khác nhau. Để đạt được nhiệt độ điểm sương thấp (khoảng -90 đến -1000C) ta phải sử dụng phương pháp hấp thụ bằng rây phân tử vì:
- Đây là phương pháp cần sử dụng để sấy khô khí với độ hạ điểm sương tới 1000C – 1200C và yêu cầu khí sau khi sấy phải có điểm sương thấp trong khoảng -600C đến -900C.
- Vì quá trình làm lạnh giãn nở Turbo-Expander đòi hỏi dòng khí phải có nhiệt độ tạo thành hydrate rất thấp.
- Khả năng làm việc trong một thời gian dài, dễ tái sinh, tuổi thọ thường 2 – 3 năm.
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 43 SVTH: Hoàng Trung Kiên
- Hệ thống làm việc liên tục khi sử dụng 2 thiết bị làm việc song song (một tháp hấp phụ, một tháp tái sinh).
Trong công nghiệp chế biến khí các chất hấp phụ thường dùng là silicagel, Al2O3 hoạt tính, boxit hoạt tính, zeolite 4A và 5A. Các chất hấp phụ phải có bề mặt riêng lớn, điểm sương của khí sau công đoạn sấy phụ thuộc vào chất hấp phụ đã chọn và công nghệ đã thiết kế. Khi tính toán thiết kế sơ đồ công nghệ sử dụng giá trị điểm sương có thể đạt được và các chất hấp phụ thường dùng như sau:
Bảng 4.9. Nhiệt độ điểm sương của các chất hấp phụ
Chất hấp phụ Điểm sương của khí sau khi sấy
Silicagel 600C (760F) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Oxit nhôm hoạt tính 730C (1000F)
Zeolite (rây phân tử) 900C (1300F)
Sơ đồ hấp phụ nước bằng glycol
Hình 4.3. Công nghệ sấy khí bằng hấp phụ
Nguyên tắc hoạt động của phương pháp này: Cho dòng khí ướt qua lớp hấp phụ, nước bị giữ lại trong các mao quản chất hấp phụ và dòng khí đi ra khỏi lớp hấp phụ là dòng khí khô. Chất hấp phụ được tái sinh tách ẩm bằng cách đun nóng
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 44 SVTH: Hoàng Trung Kiên
Đặc tính của hệ thống:
- Chất hấp phụ dạng hạt, dạng viên có kích thước 2 - 7mm. - Nhiệt độ tháp hấp phụ thường thấp hơn 500C.
- Nhiệt độ tháp tái sinh khoảng 200 – 3500C. - Áp suất tháp hấp phụ: 28 – 80bar.
- Độ giảm áp suất trong lớp đệm: 0.07 – 0.1bar/m.
- Tốc độ dòng khí trong lớp đệm chất hấp phụ: 7 – 16 m/phút. - Thời gian một chu trình hấp phụ khoảng 5 – 8 giờ.
- Lưu lượng khí tái sinh khoảng 5-15% lượng khí đi vào tháp hấp phụ. - Lượng nước hấp phụ được:
+ 4-7kg/100kg Nhôm oxyt hoạt tính. + 7-9kg/100kg Silicagel.
+ 9-12/100 kg Zeolite.
Bên cạnh đó yêu cầu nhiệt độ điểm sương của khí trước khi vào tháp chưng tách là -800C nên việc sử dụng nhôm oxyte hoạt tính hay silicagel là không phù hợp, mà chỉ có Zeolite là phù hợp vì zeolite có thể làm nhiệt độ điểm sương của khí xuống mức -900C.
Vậy đề xuất sử dụng Zeolite trong công nghệ tách nước ra khỏi khí nguyên liệu.
4.6.5. Biện luận và lựa chọn phương pháp làm lạnh khí
Về mặt nguyên lý có 3 cách làm lạnh khí: Gồm chu trình làm lạnh trong, chu trình làm lạnh ngoài, và chu trình làm lạnh tổ hợp (kết hợp chu trình làm lạnh trong và làm lạnh ngoài).
Chu trình làm lạnh trong bao gồm các thiết bị như sau: Trao đổi nhiệt, van giãm áp, turbo giãn nở khí. Dòng khí được làm lạnh trong thiết bị trao đổi nhiệt để tận thu nhiệt lạnh, qua van giảm áp và giãn nở khí bằng Turbo để hạ nhiệt độ dòng khí xuống nhằm tăng hiệu suất thu hồi sản phẩm lỏng.
Chu trình làm lạnh ngoài được thực hiện trong hệ thống làm lạnh có máy nén khí đầu vào để hóa lỏng tác nhân làm lạnh, sau đó đưa qua hệ thống làm lạnh khí đầu vào trước khi đưa đến cột phân tách sản phẩm.
Để có thể thu hồi được sản phẩm Etan trong khí nguyên liệu thì nhiệt độ của khí nguyên liệu cần phải làm lạnh đến từ -80 OC đến – 100 OC. Để đạt được
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 45 SVTH: Hoàng Trung Kiên
đến nhiệt độ này, trong thực tế hiện nay người ta sử dụng phương pháp lành lạnh tổng hợp (sử dụng chu trình làm lạnh ngoài kết hợp với giảm áp qua van, qua Turbo expander và tận thu nhiệt lạnh trong hệ thống) nhằm đảm bảo làm lạnh sâu khí. Mô hình làm lạnh hỗn hợp có thể được mô tả như sau:
Hình 4.4. Mô hình làm lạnh hỗn hợp
Đối với tác nhân làm lạnh, phụ thuộc vào nhiệt độ khí sau làm lạnh, tác nhân có thể sử dụng trong chu trình lạnh ngoài bao gồm nitơ, amoniac, methane, etan, propane, buthane, . . . Nhiệt độ làm lạnh tối đa khi sử dụng các môi chất nêu trên như sau:
Bảng 4.10. Nhiệt độ tới hạn của các tác nhân
Tác nhân làm lạnh Nhiệt độ tới hạn (0C)
N2 -180 NH3 -32 CH4 -162 C2H6 -88 C3H8 -42 C4H8 -11
Theo tính toán thì để tách được Etan khí nguyên liệu cần được làm lạnh để đạt được nhiệt độ từ -80 OC đến – 100 OC. Do vậy chọn tác nhân làm lạnh bằng Propan là phù hợp nhất. Lúc này sơ đồ nguyên lý của quá trình làm lạnh sẽ được thực hiện theo thứ tự các bước sau đây:
-Khí nguyên liệu trước khi vào tháp tách Etan sẽ được làm lành bởi chu trình làm lạnh ngoài bằng Propan hóa lỏng đến nhiệt độ khoảng 0 oC. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 46 SVTH: Hoàng Trung Kiên
-Sau đó một phần khí được tiếp tục làm lạnh bằng cách tận thu nhiệt lạnh trong hệ thống nhờ dòng nhiệt lạnh của khí khô sau khi đã ngưng tụ lỏng đến nhiệt độ khoảng -48 OC đến - 45 OC và tiếp tục qua van tiết lưu để làm lạnh đến nhiệt độ -80 OC đến - 100 OC nhằm thu hồi Etan và LPG.
-Phần khí còn lại được giãn nỡ qua Turbo- Expander để làm lạnh đến nhiệt độ khoảng - 40 OC đến - 60 OC trước khi đưa vào tách Etan.
Vị trí đặt cụm thiết bị làm lạnh tăng để tách thêm sản phẩm Etan được lắp đặt đồng thời với cùng làm lạnh khí nguyên liệu đầu vào hoặc lắp đặt ngay sau đường khí khô đầu ra nhà máy.
4.6.6. Lựa chọn sơ đồ chưng cất phân đoạn các sản phẩm
Sản phẩm thô thu được bao gồm: lỏng tại Slug catcher, lỏng tại đáy tháp Demethanizer (T-100). Phần lỏng này chứa lượng lớn thành phần C2+, vì vậy để thu được các sản phẩm khác nhau, ta phải tiến hành chưng cất để tách Etan, LPG, Condensate như mong muốn. Như vậy ta phải có tối thiểu hệ thống gồm 03 tháp chưng cất demethanizer, tháp deethanizer, tháp ổn định condensate để tách các sản phẩm theo yêu cầu. Mô hình đơn giản nhất của cụm tháp chưng cất có thể được mô tả như sau:
Hình 4.5. Sơ đồ cụm chưng cất phân đoạn sản phẩm
4.7. Đề xuất sơ đồ công nghệ tối ưu tách Etan từ Nhà máy xử lý khí NCS2
Trên cơ sở phân tích cấu hình các thiết bị nêu trên từ nguồn khí NCS2 có thể lựa chọn sơ đồ công nghệ tối ưu nhằm thu hồi tối đa sản phẩm Etan trên cơ sở
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 47 SVTH: Hoàng Trung Kiên
chu trình làm lạnh ngoài bằng Propan như đã xác định tại mục 4.6.5, đồ án này đề xuất phương pháp thực hiện như sau:
- Xây dựng các sơ đồ công nghệ khác nhau trên cơ sở công nghệ làm lạnh hỗn hợp (làm lạnh bằng chu trình Propan hóa lỏng kết hợp với giảm áp qua van và Turbo Expander) để làm lạnh khí nguyên liệu trước khi tách Etan đến nhiệt độ -900C ÷ - 100 OC nhằm thu hồi tối đa Etan.
- Các sơ đồ công nghệ này sẽ khác nhau về nguyên liêu đưa qua cụm làm
lạnh tăng cường trước khi tách Etan. Căn cứ trên cơ sở này, đề xuất 03 phương án công nghệ như sau:
Phương án 1: Phương án làm lạnh khí Sales gas đầu ra sau khi đã tách LPG và Condensate để thu hồi Etan.
Phương án 2: Phương án làm lạnh sâu để tách Etan từ nguồn nguyên liệu khí NCS2 ngày từ đầu kết hợp với tháp hấp thụ Demethanizer không có máy nén khí hồi lưu (mô hình 3 tháp).
Phương án 3: Phương án làm lạnh sâu để tách Etan từ nguồn nguyên liệu khí NCS2 ngay từ đầu kết hợp với tháp hấp thụ Demethanizer có máy nén khí hồi lưu (mô hình 4 tháp).
- Trên cơ sở các sơ đồ công nghệ cải hoán xây dựng nêu trên lập mô hình
mô phỏng các phương án công nghệ trên phần mềm Hysys 7.1 và điều chỉnh công suất làm lạnh khí nguyên liệu bằng Propan hóa lỏng sao cho tất cả các sơ đồ công nghệ đều có cùng hiệu suất thu hồi Etan.
- Từ sơ đồ mô phỏng tính toán chi phí vận hành (năng lượng tiêu hao) đối với từng phương án với giả định chi phí vận hành chủ yếu của phương án là phần chi phí lượng tiêu thụ của Nhà máy để chạy các máy nén khí thương phẩm, máy nén khí nguyên liệu, máy nén khí của chu trình làm lạnh propan, …,
- Do các phương án đã được tính toán điều chỉnh để đưa về cùng tỷ lệ thu hồi Etan nên dựa vào các số liệu nêu trên phương án công nghệ có lượng tiêu thụ năng lượng thấp nhất sẽ được lựa chọn là phương án tối ưu để đầu tư cho Nhà máy sản xuất Etan từ khí NCS2.
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 48 SVTH: Hoàng Trung Kiên
4.7.1. Phương án 1: Làm lạnh khí Sales gas đầu ra sau khi đã tách LPG và
Condensate để thu hồi Etan.
Sơ đồ công nghệ của phương án như hình 4.6 đính kèm bên dưới. Căn cứ
theo sơ đồ này quá trình công nghệ sản xuất Etan từ khí NCS2 sẽ được thực hiện như sau:
Khí nguyên liệu đầu vào nhà máy với lưu lượng khoảng 10 triệu m3/ngày, áp suất 70 – 100 barg tùy thuộc vào áp suất thượng nguồn và nhiệt độ khoảng 25 - 32 0C tùy thuộc vào nhiệt độ môi trường, đầu tiên được đưa vào hệ thống Slug Catcher (SC) để tách khí, lỏng hydrocacbon và nước trong dòng khí 2 pha đầu vào Nhà máy.
Hỗn hợp lỏng ra khỏi Slug Catcher có chứa một lượng nhất định các hydrocacbon hòa tan được giảm áp từ áp suất vận hành SC xuống khoảng 45 barg và được đưa vào thiết bị tách 3 pha V-03 để tách phần khí hòa tan trong dòng lỏng nhờ hiệu ứng giảm áp. Tại bình tách V-03 nước nếu có sẽ được tách ra khỏi hydroccacbon lỏng nhờ vào sự khác nhau về tỷ trọng của nước và hydrocacbon lỏng. Lỏng sau đó được đưa vào tháp tách De – Ethanizer ( C-02) của cụm tách Etan để tiếp tục chế biến sâu nhằm thu hồi các sản phẩm có giá trị.
Dòng khí đi ra từ SC được đưa qua hệ thống làm sạch CO2 (BLOCK CO2) bằng dung dịch MEA với nộng độ khoảng 20 – 30% nhằm tách loại CO2 có trong khí đầu vào trước khi đưa vào chế biến để tránh gây ăn mòn thiết bị và ảnh hưởng đến quá trình chưng cất để thu hồi Etan do CO2 có trong khí sẽ tạo hỗn hợp đẳng phí với Etan trong quá trình chế biến. Hệ thống tháp tách CO2 bao gồm tháp hấp thụ làm việc ở áp suất khoảng 86 barg (bằng với áp suất dòng khí nguyên liệu đầu vào), nhiệt độ khoảng 25 – 35 0C. Dòng khí có hàm lượng CO2 cao được cho vào bên dưới đáy tháp, dung môi hấp thụ MEA được cho vào đỉnh tháp hấp thụ. Chất
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});