3.2.3.1. Đề xuất chu trình làm lạnh ngoài bằng propan
Theo kết quả khảo sát nhiệt độ dòng To Mix-100 khi nhiệt độ dòng ra thấp thì tăng khả năng thu hồi LPG cho nhà máy. Trong khi đó những dòng khí có nhiệt độ thấp trong nhà máy đã đi qua các thiết bị trao đổi nhiệt. Do quá trình làm mát bằng không khí của thiết bị trao đổi nhiệt E-1011 không thể giảm nhiệt độ xuống thấp hơn nên khảo sát thêm phƣơng án làm lạnh bằng chu trình kín bên ngoài với tác nhân lạnh là propan.
Theo quy trình mô phỏng dòng nhiệt làm lạnh bằng Chiller đƣợc đƣợc kết nối với chu trình lạnh thiết lập ở dạng template.
Ƣu điểm khi sử dụng template:
• Liên kết một vài case với nhau
• Có thể sử dụng các hệ nhiệt động khác với hệ nhiệt động trong case chính
• Thuận tiện khi mô phỏng một nhà máy lớn, việc chuyển thành các case nhỏ sẽ dễ dàng thực hiện.
• Có thể làm một lần và sử dụng nhiều lần cho các case khác nữa.
Với những ƣu điểm việc thiết lập chu trình làm lạnh ở dạng template có thể thay đổi nhiệt độ dòng khí ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt E-103 thì giá trị Chiller Q cũng thay đổi theo, nhƣng với một chu trình lạnh chạy đƣợc tất cả case khác nhau. Bởi vì giá công suất làm lạnh là biến đầu vào cho quá trình, khi công suất làm lạnh đặt ra theo yêu cầu thực tế thay đổi thì các quá trình bay hơi, ngƣng tụ, làm mát… trong chu trình cũng bị thay đổi theo.
STT Tên dòng sản phẩm
Doanh thu trƣớc tối ƣu (USD/ngày)
Doanh thu sau tối ƣu (USD/ngày)
1 Condensate 0,4865.105 0,48721.105
2 Bupro (LPG) 5,2988.105 5,30576.105
3 Sale gas 0,5722.105 0,56690.105
Hình 3.24. Chu trình làm lạnh bằng propan dạng template
Hình 3.24 mô tả chu trình làm lạnh bằng propan, công suất làm lạnh theo yêu cầu của nhà máy, giá trị công suất đƣa vào Chiller Q thay đổi thì công suất của máy nén Comp HP và lƣu lƣợng dòng nhiệt trao đổi tại Condenser Cond-Q cũng thay đổi. Tác nhân làm lạnh propan là dạng nguyên liệu có nhiều trên thị trƣờng cũng nhƣ tại nhà máy xử lý khí Dinh Cố có thể tách propan từ hỗn hợp LPG, tác nhân lạnh tuần hoàn theo hệ thống kín, quá trình xảy ra tại Chiller là quá trình propan lỏng qua van tiết lƣu J-T bị giảm áp đột ngột và tự động bay hơi, quá trình bay hơi là quá trình thu nhiệt vậy dòng nhiệt từ bên ngoài Chiller Q sẽ cấp năng lƣợng cho propan bay hơi. Sau khi ra khỏi Chiller propan ở dạng hơi hoàn toàn, nếu một phần propan có thể ở dạng lỏng do quá trình tiết lƣu chƣa chuyển pha hết thì trƣớc máy nén Compress đặt bình tách tể tách lỏng tránh hiện tƣợng pha lỏng đi vào máy nén làm hỏng cánh phía trong. Máy nén có nhiệm vụ chuyển propan dạng hơi ở áp suất thấp thành dạng lỏng ở áp suất cao. Quá trình chuyển pha hơi thành lỏng là quá trình ngƣng tụ kèm theo tỏa nhiệt, dòng lỏng propan nhiệt độ cao đƣợc làm nguội tại Condenser bằng một tác nhân làm lạnh gián tiếp, nếu công suất lớn thì tác nhân làm lạnh thƣờng bằng nƣớc hoặc dung môi phù hợp, công suất Condenser thấp thì quá trình làm nguội có thể dùng không khí đối lƣu tự nhiên hoặc cƣỡng bức. Vậy sau chu trình kín thì dòng propan lỏng lại quay về van tiết lƣu J-T để thực hiện quá trình bay hơi. Theo nguyên lý của chu trình lạnh thì nhiệt đƣợc lấy ở khu vực nhiệt độ cao Chiller Q và nhả nhiệt tại khu vực nhiệt độ thấp Cond-Q. Quá trình này trái với quy luật tự nhiệt là nhiệt chỉ truyền từ khu vực nhiệt độ cao sang khu vực nhiệt
Học viên: Dƣơng Khắc Hồng Trang 72 Lớp: Cao học KTL-HD 2014B
nhiệt tại Condenser. Theo dự kiến chi phí năng lƣợng tiêu tốn cho máy nén thấp hơn lợi nhuận do lƣu lƣợng LPG tăng lên nên phƣơng án lắp đặt thêm hệ thống làm lạnh ngoài đang đƣợc nhà máy tính đến.
Hình 3.25. Lưu trình mô phỏng có sử dụng chu trình lạnh propan
Hình 3.25 mô tả sự kết nối thêm chu trình lạnh hỗ trợ quá trình làm lạnh dòng khí sau khi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí E-1011, sau quá trình làm lạnh bên ngoài thì dòng khí công nghệ sẽ đƣợc quay trở lại thiết bị tách nƣớc V-06 A/B cùng với dòng khí tuần hoàn về từ đỉnh tháp C-01. Do công suất của E-1011 bị hạn chế bởi nhiệt độ của không khí nên không làm lạnh dòng khí To E-1011 xuống nhiệt độ thấp vì vậy quá trình làm lạnh bằng chu trình lạnh bên ngoài là cần thiết để tăng khả năng thu hồi LPG.
Nhận thấy theo yêu cầu về công nghệ thì nhiệt độ dòng khí ra khỏi máy giãn Expander CC01-Exp nhỏ nhất là -170C, nên không thể hạ thấp nhiệt độ này hơn giá trị cho phép về công nghệ. Do cấu tạo của vật liệu của tháp C-05 chỉ chịu đƣợc nhiệt độ giới hạn cho phép. Nhƣ kết quả khảo sát khi hạ thấp nhiệt độ dòng ra khỏi thiết bị E-1011 thì lƣợng LPG thu đƣợc tăng lên. Ngƣợc lại nhiệt độ dòng ra khỏi thiết bị làm mát bằng không khí E-1011 hạ thấp thì nhiệt độ dòng ra của Expander cũng giảm theo. Cũng theo thiết kế cho tháp C-05 thì nhiệt độ dòng To C05(1) vào tháp C-05 từ đỉnh tháp không nhỏ hơn -700C. Khảo sát qua đồ thị thì khi nhiệt độ dòng To Mix-100 thay đổi trong khoảng 150C đến 600C thì nhiệt độ dòng To C05(1) luôn lớn hơn -700C. Trong qui trình công nghệ không đƣợc phép vận hành các thiết bị ngoài giá trị thiết kế. Vậy quá trình khảo sát nhiệt độ để làm lạnh dòng khí ra khỏi E-1011 là rất quan trọng vì quá trình làm lạnh xuống nhiệt độ thấp quá sẽ không đảm bảo cho chế độ hoạt động của tháp C-05 theo thiết kế ban đầu.
Hình 3.26. Sự thay đổi nhiệt độ dòng To Mix-100
Nhiệt độ của dòng To-C05(2) đi vào đáy tháp C-05 tỷ lệ thuận với nhiệt độ dòng ra khỏi E-103. Vậy để tối ƣu hóa về lợi nhuận và đảm bảo chế độ công nghệ thì bố trí thêm chu trình làm lạnh ngoài bằng propan làm lạnh dòng To Mix-100 xuống nhiệt độ thấp nhất để nhiệt độ dòng To C05(2) đạt -170C. Sử dụng công cụ Adjust ADJ-3 để tìm giá trị nhiệt độ của dòng To Mix-100 là 36,150C. Vậy chu trình lạnh ngoài bằng propan sẽ làm lạnh nhiệt độ dòng Out E-1011 từ 420C hiện hành xuống 36,150C. Sau khi kết nối chu trình lạnh dạng template với dòng nhiệt Chiller của thiết bị trao đổi nhiệt E-103 đƣợc kết quả nhƣ hình 3.27.
Hình 3.27. Chu trình làm lạnh bằng propan
Lƣu lƣợng LPG thu đƣợc tăng hơn so với thiết kế ban đầu nhƣng cần năng lƣợng để chạy máy nén cho chu trình lạnh.
Học viên: Dƣơng Khắc Hồng Trang 74 Lớp: Cao học KTL-HD 2014B
phẩm (USD/ngày)
1 Condensate 138,8 tấn/ngày 350 USD/tấn 0,4858.105
2 Bupro (LPG) 825,1 tấn/ngày 650 USD/tấn 5,363.105
3 Sale gas 3,352.106 m3/ngày 5,39 USD/
triệu BTU
0,5668.105
Doanh thu 6,4156.105
Lợi nhuận tăng so với thiết kế ban đầu: 6,4156.105- 6,3575.105 = 0,0581.105 USD/ ngày.
Giá điện công nghiệp năm 2015 là 1325 đ/kw.h, tƣơng đƣơng với 1,673.10-5
USD/kJ
Năng lƣợng tiêu tốn cho máy nén: 614,9 Hp = 614,9.0,76.3600.24 = 40376793 kJ/ngày
Chi phí năng lƣợng trong 1 ngày của máy nén: 40376793. 1,673.10-5
= 675,5038 USD/ngày
Quá trình làm mát ở Condenser từ nhiệt độ 72,6oC xuống 50 oC thì chủ yếu dùng nƣớc nên giá năng lƣợng chỉ bằng 50% năng lƣợng điện.
Năng lƣợng tiêu tốn cho Condenser: 1663. 0,76.3600.24 = 109199232 kJ/ngày Chi phí năng lƣợng trong 1 ngày của thiết bị Condenser: 118654848. 1,673.10-5
.0,5 =913,4516 USD/ngày.
Lợi nhuận tăng thêm sau khi trừ chi phí năng lƣợng của chu trình làm lạnh ngoài: 0,0581.105 – (675,5038 + 913,4516 ) = 4,221.103 USD/ ngày.
Những phần chi phí năng lƣợng khác trong các thiết bị trao đổi nhiệt coi nhƣ không khác nhau nhiều giữa hai chế độ làm lạnh sâu dòng khí ra khỏi E-1011 và không làm lạnh. Vậy chi phí năng lƣợng chủ yếu cho chu trình lạnh là điện năng cung cấp cho máy nén và tác nhân làm mát cho Condenser. Tổng chi phí năng lƣợng cho hai thiết bị trên thấp hơn nhiều lợi nhuận phần tăng lên của nhà máy, qua tính toán trên thấy rằng nếu bố trí thêm chu trình làm lạnh bằng propan sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn ban đầu.
3.2.3.2. Đề xuất phân xƣởng làm ngọt khí
Quá trình xử lý khí ở nhà máy khí Dinh cố hiện tại không có phân xƣởng làm ngọt khí do thành phần khí từ bể Cửu Long có tổng hàm lƣợng CO2 và H2S rất thấp. Nhƣng dự định vào cuối năm 2015 hoặc các năm tiếp theo do khí đồng hành cấp từ các mỏ hiện tại không đảm bảo công suất của nhà máy, vì vậy nhu cầu nguồn khí từ các mỏ khác nhƣ mỏ Thiên Ƣng, Sử Tử Trắng và các mỏ khí từ bể Nam Côn Sơn thì hàm lƣợng H2S và CO2 sẽ tăng lên. Tổng hàm lƣợng hai khí này trong khoảng 3%-5% với tổng lƣu lƣợng đƣa về nhà máy khoảng 5,5 triệu m3/ngày. Do đó nhu cầu làm ngọt khí là cần thiết để có dòng Sale gas cung cấp cho nhà máy đạm đảm bảo chất lƣợng để tổng hợp Urê. Do nếu dùng Sale gas cho quá trình reforming hơi nƣớc để sản xuất khí tổng hợp cho quá trình sản xuất đạm Urê thì CO2, H2S sẽ làm ngộ độc xúc tác, vậy nếu có phƣơng pháp làm ngọt khí để tách CO2 và H2S hiệu quả sẽ đem lại sản phẩm tinh khiết làm tăng thêm giá trị.
Trong công nghiệp thƣờng dùng phƣơng pháp hấp thụ để làm sạch khí khỏi H2S, CO2. Tùy thuộc vào hàm lƣợng các tạp chất axit mà sử dụng các dung môi hấp thụ khác nhau. Các dung môi hấp thụ thƣờng phải thỏa mãn các yêu cầu nhƣ sau:
Có tính chọn lọc, đây là tính chất quan trọng nhất
Độ nhớt chất hấp thụ nhỏ
Nhiệt dung riêng bé, khi tái sinh cần ít năng lƣợng
Nhiệt độ sôi của chất hấp thụ và dung môi khác nhau để dễ dàng tách chất hấp thụ ra khỏi dung môi bằng phƣơng pháp chƣng cất.
Nhiệt độ đông đặc thấp, tránh đƣợc hiện tƣợng đóng rắn khi làm việc ở nhiệt độ thấp.
Không độc hại, không ăn mòn thiết bị và không gây ô nhiễm môi trƣờng.
Trong quá trình hấp thụ thƣờng có hai dạng hấp thụ cơ bản là hấp thụ vật lý và hấp thụ hóa học. Hấp thụ vật lý lực tƣơng tác giữa các phân tử chủ yếu là lực van der walls, ngƣợc lại với hấp thụ vật lý thì trong quá trình hấp thụ hóa học lực tƣơng tác giữa các phân tử chủ yếu là lực liên kết hóa học. Trong quá trình hấp thụ vật lý thƣờng sử dụng dung môi propylen cacbonat, ete dimetyl polyetylen glycol, N- metylpyrolidon… Trong quá trình hấp thụ hóa học thƣờng sử dụng dung môi là dung dịch nƣớc chứa alkanol amin, trong đó đáng chú ý nhất là monoetanolamin
Học viên: Dƣơng Khắc Hồng Trang 76 Lớp: Cao học KTL-HD 2014B
sử dụng với dung dịch nồng độ cao do khi dung dịch bão hòa hấp thụ khí axit sẽ gây ăn mòn thiết bị rất mạnh. Ngày nay có thể sử dụng dung dịch hấp thụ MEA nồng độ lên tới 30% do trong dung dịch đã có chất ức chế ăn mòn. Ƣu điểm của MEA là khả năng phản ứng cao và nhiệt độ sôi của MEA là 1700C sẽ dễ dàng tách dung môi ra khỏi chất hấp thụ. Quá trình hấp thụ CO2 và H2S đối với mỗi loại dung môi khác nhau thì sẽ có khoảng hoạt động tối ƣu trong giới hạn nồng độ cho phép, DEA nồng độ 20%-30%, MDEA nồng độ 30%-55%, DGA nồng độ 50%. Ngoài khoảng nồng độ trên có thể gây ra quá trình quá bảo hòa, ăn mòn thiết bị làm giảm khả năng hoạt động của quá trình.
Cơ sở của phƣơng pháp hấp thụ bằng MEA là các phản ứng sau:
2HOCH2CH2NH2 + CO2 + H2O ↔ (HOCH2CH2NH3)2CO3 2HOCH2CH2NH2 + H2S ↔ (HOCH2CH2NH3)2S
Quá trình hấp thụ H2S và CO2 bằng MEA xảy ra ở áp suất cao và nhiệt độ hấp thụ từ 200C-400C. Quá trình tái sinh bằng phƣơng pháp nhả hấp thụ xảy ra ở áp suất khí quyển và nhiệt độ trên 1500C.
Hình 3.28. Sơ đồ nguyên lý hấp thụ khí bằng MEA
1.Tháp hấp thụ; 2,3,4. Thiết bị phân ly; 5,6. Thiết bị làm mát bằng không khí; 7,8. Thiết bị làm mát bằng không khí; 9. Thiết bị trao đổi nhiệt; 10.Tháp nhả hấp thụ; 11. Thiết bị đun nóng; I. Khí nguyên liệu; II. Khí sạch; III. Dung môi sau khi hấp thụ; IV. Phân ly; V. Dung
Khí chua có hàm lƣợng CO2 và H2S cao đƣợc đƣa vào tháp hấp thụ 1, tại đây xảy ra quá trình hấp thụ CO2 và H2S bởi dung dịch MEA. Khí sau khi hấp thụ đƣa qua thiết bị phân ly 2 và khí sạch (khí ngọt) đƣa ra ngoài. Dung dịch MEA sau khi hấp thụ sẽ qua bình tách số 3, tách một phần khí sau đó qua thiết bị trao đổi nhiệt số 9 làm nóng dung dịch trƣớc khi đi vào tháp nhả hấp thụ số 10. Tại tháp nhả hấp thụ khí axit có lƣợng lớn là CO2 và H2S đƣợc đƣa ra ngoài. Dung môi MEA sau khi nhả hấp thụ đƣợc làm nguội quay lại tháp hấp thụ số 1. Sau quá trình hấp thụ làm ngọt khí thì sẽ thu đƣợc khí ngọt và khí axit riêng biệt. Trong quá trình hấp thụ nếu lƣợng MEA bị hao hụt thì có thể bổ sung thêm.
Hình 3.29. Sơ đồ nguyên lý hấp thụ khí bằng DEA
Hình 3.29 mô tả qui trình hấp thụ khí CO2 và H2S bằng DEA, dòng khí nguyên liệu đƣợc cấp vào tháp hấp thụ DEA Absorber, quá trình hấp thụ xảy ra trong tháp và dòng khí sạch thu hồi ở đỉnh tháp, dung môi ở đáy tháp hấp thụ là dung dịch với nồng độ Amine cao đƣa qua bình tách Flash Drum để loại bỏ khí trƣớc khi đƣa vào tháp nhả hấp thụ thực hiện ở nhiệt độ cao và áp suất thấp, dòng CO2 và H2S sẽ đƣợc nhả hấp trong tháp và thu hồi ở đỉnh tháp DEA Regenerator. Dòng DEA sạch sau khi ra khỏi đáy tháp nhả hấp thụ cấp bổ sung DEA mới và nƣớc với mục đích đảm bảo nồng độ DEA tuần hoàn cho quá trình hấp thụ nhƣ ban đầu, quá trình bổ sung nƣớc và DEA cũng đƣợc kiểm soát bởi các bộ đo nồng độ của dòng DEA tuần hoàn về tháp hấp thụ DEA Absorber.
Học viên: Dƣơng Khắc Hồng Trang 78 Lớp: Cao học KTL-HD 2014B H2S(aq) ↔ HS- + H+ HS(aq)- ↔ H+ + S2- CO2(vp) ↔ CO2(aq) CO2(aq) +H2O ↔ HCO3- + H+ HCO3-(aq) ↔ H+ + CO32- (C2H5O)2NH + H2O ↔ (C2H5O)2NH2+ + OH- H2O ↔ H+ + OH- (C2H5O)2NH + HCO3- ↔ (C2H5O)2NCO2- + H2O (C2H5O)2NH + H2S ↔ (C2H5O)2NH2+ + HS- (C2H5O)2NH2+ + HS- ↔ (C2H5O)2NH2HS
Bảng 3.15. Tính chất vật lý của một số loại dung môi
Tính chất MEA DEA TEA MDEA DIPA DGA
Công thức C2H7NO C4H11NO2 C6H15NO3 C5H13NO2 C6H15NO2 C4H11NO2 Khối lƣợng mol 61,09 105,14 149,19 119,17 133,19 105,14 Điểm chảy,oC 10,5 28 22,4 -23 42 -12,5 Nhiệt độ sôi, o C 170,6 269,2 360 247,4 248,9 221,3 Tỷ trọng tại 20oC 1,0179 1,0919 1,1258 1,0418 0,989 1,0572 Độ nhớt ở 20oC, Pa.s 0,0241 0,38 1,013 0,101 0,87 0,04 Nhiệt trị ở 15,6 oC, J/kg.s.K 2544 2510 2929 2238 2887 2389 Nhiệt độ chớp cháy, o C 93,3 137,8 185 129,4 123,9 126,7
Trong qui trình công nghệ mô phỏng bằng phần mềm UNISIM đề xuất qui trình làm ngọt khí bằng dung môi DEA, thiết lập qui trình mô phỏng làm ngọt và kết nối với qui trình công nghệ chính của nhà máy dƣới dạng template làm ngọt khí. Qui trình mô phỏng làm ngọt khí đƣợc thiết lập riêng khi dòng khí chính là dòng khí ra