Nếu hỗn hợp khí là lý tƣởng thì thể tích của hỗn hợp khí bằng tổng thể tích các cấu tử có trong hỗn hợp khi ở cùng điều kiện nhiệt độ áp suất nhất định:
VA = nA.𝑅.𝑇 𝑃 ; VB = nB.𝑅.𝑇 𝑃 ; VC = nC.𝑅.𝑇 𝑃 … Trong đó: - nA, nB, nC là số mol khí - VA, VB, VC là thể tích khí Thể tích tổng của hỗn hợp khí: VT = VA+VB+VC+… = (nA + nB + nC+…).𝑅.𝑇𝑃 1.3.5. Phƣơng trình trạng thái khí lý tƣởng
Từ các định luật trên các nhà khoa học đƣa ra phƣơng trình trạng thái khí lý tƣởng, bản chất của phƣơng trình là nêu lên mối quan hệ giữa các đại lƣợng nhiệt độ, áp suất, thể tích của khí lý tƣởng: PV= n.R.T Trong đó: - P là áp suất - V là thể tích - n là số phân tử khí - T là nhiệt độ - R là hằng số khí
Phƣơng trình trạng thái khí lý tƣởng thƣờng chỉ đúng khi áp suất của hỗn hợp khí nhỏ hơn 4 at, nếu áp suất cao hơn thì phải xét đến các yếu tố ảnh hƣởng. Nhƣ sử dụng định luật Dalton, Amagate.
Khi tính toán trong quá trình chế biên khí cần phải xác đinh các tính chất nhiệt động của hỗn hợp khí nhƣ độ bay hơi, entanpy, entropy, khối lƣợng riêng. Để xác định các tính chất đó ngƣời ta sử dụng phƣơng trình trạng thái mô tả các mối liên quan giữa nhiệt độ, áp suất, thể tích. Nhƣng thực tế hỗn hợp khí thực có những tính chất khác với khí lý tƣởng nên phƣơng trình trạng thái dùng cho khí lý tƣởng sẽ không còn chính xác. Để mô tả các mối liên hệ trên thì trong thực tế dùng các phƣơng trình dƣới đây.
Học viên: Dƣơng Khắc Hồng Trang 38 Lớp: Cao học KTL-HD 2014B
thái khí lý tƣởng nhƣng có hiệu chỉnh thể tích riêng phần của phân tử khí và giá trị của thể tích thực là V-b, trong hỗn hợp khí thực có sự va chạm do lực hấp dẫn và lực liên kết nên giá trị áp suất thực là P + 𝑎
𝑉2. Phƣơng trình Van der waal đƣợc viết nhƣ sau:
(P + 𝑎
𝑉2). (𝑉 − 𝑏) = R.T
Đây là phƣơng trình đầu tiên nhƣng ít đƣợc sử dụng, đối với hệ hydrocacbon phƣơng trình đƣợc ứng dụng nhiều nhất là phƣơng trình Benediet -Webb-Rubin- Kewong và các biến dạng của chúng:
P=R.Td + (Bo.R.T – Ao - 𝐶𝑜 𝑇2).d2 + (b.R.T –a).d3 + a.α.d6 + 𝐶.𝑑 3 𝑇.(1+𝛾.𝑑3).𝑒𝛾.𝑑2 Trong đó: -d là khối lƣợng phân tử -P là áp suất -T là nhiệt độ
-Ao, Bo, Co, a,b,c,α,γ là các hằng số của khí phụ thuộc vào bản chất chất khí.
Phƣơng trình Benediet -Webb-Rubin-Kewong mô tả chính xác trạng thái các hỗn hợp khí, đối với chất lỏng chỉ đƣợc áp dụng khi khối lƣợng riêng chất lỏng nhỏ hơn khối lƣợng riêng tới hạn d < do. Khi áp dụng phƣơng trình Benediet -Webb- Rubin-Kewong sẽ tìm đƣợc khối lƣợng riêng pha khí với giá trị nhỏ nhất và khối lƣợng riêng pha lỏng với giá trị lớn nhất.
1.3.7. Phƣơng trình Benedict-Webb-Rubin P = ρ.R.T +(Bo.R.T –Ao -𝐶𝑜 P = ρ.R.T +(Bo.R.T –Ao -𝐶𝑜 𝑇2 + 𝐷𝑜 𝑇3 - 𝐸𝑜 𝑇4).ρ2 + (b.R.T- a- 𝑑 𝑇).ρ3 + α.(a+𝑑 𝑇)ρ6 +𝐶.𝜌 3 𝑇2 .(β+γ.ρ2).𝑒−𝛾. 𝛼2 Trong đó: Ao, Bo, Co, Do, Eo, α, β, γ là các hằng số.
1.3.8. Phƣơng trình Redlich-Kwong P = 𝑅.𝑇 P = 𝑅.𝑇 𝑉𝑚−𝑏- 𝑎 𝑇.𝑉𝑚.(𝑉𝑚−𝑏) Trong đó: a = 0,42748.𝑅 2.𝑇𝑐2,5 𝑃𝑐 b = 0,08662.𝑅.𝑇𝑐 𝑃𝑐
1.3.9. Phƣơng trình trạng thái Peng-Robinson (PR)
P = 𝑃.𝑅
𝑣−𝑏- 𝑎
𝑉.(𝑣+𝑏)+𝑏.(𝑣−𝑏)
Hoặc viết dƣới dạng bậc 3 nhƣ sau:
Z3 – (1-B) + (A-2B-3B2).Z– (A.B –B2-B3) = 0 Trong đó: - Z là hệ số nén, Z= 𝑃.𝑉 𝑅.𝑇 - A = 𝑎.𝑃 (𝑅𝑇)2, B = 𝑏𝑃 𝑅𝑇 - v là thể tích mol
- a là hệ số hiệu chỉnh khi tính đến tƣơng tác giữa các phân tử - b là hệ số hiệu chỉnh khi tính đến thể tích các phân tử - a, b hệ số hiệu chỉnh tính theo qui tắc trộn.
- b = 𝑁 𝑥𝑖. 𝑏𝑖 𝑖=1 - bi = 0,077796.𝑅.𝑇𝐶𝑖 𝑃𝑐𝑖 - a = 𝑁 𝑥𝑖. 𝑥𝑗. (𝑎𝑖. 𝑎𝑗)0,5 𝑗 =1 𝑁 𝑗 =1 . (1 − 𝑘𝑖𝑗) - ai = 𝑎𝑐𝑖. 𝛼𝑖 - aci = 0,457235.(𝑅𝑇𝑐𝑖) 2 𝑃𝑐𝑖 - 𝛼𝑖0,5 = 1 + 𝑚𝑖. (1 − 𝑇𝑟𝑖0,5) - mi = 0,37646 + 1,54226.ωi - 0,26992.ωi2 - xi, xj là phần mol các cấu tử i, j
- kij là hệ số tƣơng tác giữa cấu tử i và j - ωi là hệ số bất đối xứng của cấu tử i
Học viên: Dƣơng Khắc Hồng Trang 40 Lớp: Cao học KTL-HD 2014B
Phƣơng trình trạng thái khí thực viết: Z= 𝑃.𝑉 𝑅.𝑇 → P.V = Z.R.T → P.𝑀 𝜌 = Z.R.T → ρ = 𝑃.𝑀 𝑍.𝑅.𝑇 Trong đó: - ρ là tỷ trọng của khí - M là phân tử lƣợng của khí 1.3.10.2. Tỷ trọng pha lỏng
Có nhiều phƣơng pháp xác định tỷ trọng của chất lỏng:
- Phƣơng pháp API
- Phƣơng pháp Rackett
- Phƣơng pháp Hankinson-Brobst-Thompson (COSTALD)
Trong UNISIM sử dụng phƣơng pháp COSTALD để tính tỷ trọng của chất lỏng, phƣơng trình tính cho chất lỏng tinh khiết.
𝑣𝑠 𝑣𝑜= 𝑣𝑟𝑜. (1 − 𝜔. 𝑣𝑟𝛿) 𝑣𝑟𝑜 = 1 + 𝐴𝑘. (1 − 𝑇𝑟)1/3 4 1=1 𝑣𝑟𝛿 = 𝐵𝑘𝑇𝑟 𝑖 3 𝑖=1 𝑇𝑟 − 1,00001 Trong đó:
- vs, vo là thể tích mol của chất lỏng ở nhiệt độ T và To - v* là hằng số thực nghiệm đối với từng cấu tử - ω là hệ số bất đối xứng
- Ak, Bk là hệ số của phƣơng pháp COSTALD Tr = 𝑥𝑖𝑥𝑗𝑣𝑖𝑗 ∗𝑇𝑐𝑖𝑗 𝑁 𝑗=1 𝑁 𝑗 =1 𝑣𝑚∗ vm* = 1 4.[ 𝑁𝑖=1𝑥𝑖.𝑣𝑖∗+3.(𝑥𝑖.𝑣𝑖∗2/3).( 𝑁𝑖=1𝑥𝑖.𝑣𝑖∗1/3)] vij* .TCij = (𝑣𝑖∗. 𝑇𝑐𝑖. 𝑣𝑗∗. 𝑇𝑐𝑗)1/2 ω = 𝑁 𝑥𝑖. 𝜔𝑖 𝑖=1
CHƢƠNG 2. MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ BẰNG PHẦN MỀM UNISIM
2.1. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG
UNISIM là sản phẩm của công ty Honeywell-UOP. UNISIM là phần mềm chuyên dụng để mô phỏng công nghệ chế biến dầu khí và công nghệ hóa học. UNISIM có thể tính toán đa dạng cho độ chính xác cao, cung cấp nhiều thuật toán ứng dụng, trợ giúp trong quá trình tính toán công nghệ, khảo sát các thông số trong quá trình thiết kế và điều khiển đƣợc các quá trình chế biến dầu khí…
Ngoài thƣ viện có sẵn, UNISIM cho phép ngƣời sử dụng tạo các thƣ viện riêng hoặc cho phép liên kết với các chƣơng trình tính toán hay phần mềm khác nhƣ Microsoft Visual Basic, Microsoft Excel, Visio, C++, Java…UNISIM có khả năng tính toán các thông số còn lại nếu hệ thiết lập đủ thông tin.
UNISIM đƣợc thiết kế sử dụng cho hai trạng thái mô phỏng động và mô phỏng tỉnh. Mô phỏng tỉnh đƣợc sử dụng cho quá trình thiết kế công nghệ cho một quá trình, tối ƣu hóa các điều kiện công nghệ. Với mỗi bộ số liệu ban đầu, mỗi điều kiện công nghệ xác định, khi quá trình tính toán hội tụ, kết quả tính toán tƣơng ứng với điều kiện đó và không thay đổi theo thời gian. Khi thay đổi các điều kiện ban đầu hay các chế độ công nghệ khác nhau sẽ thu đƣợc kết quả khác nhau tƣơng ứng. Từ đó có thể biết đƣợc sự ảnh hƣởng của các yếu tố đến quá trình. Bằng các sự so sánh có thể chọn ra đƣợc kết quả tối ƣu cho thiết kế công nghệ. Mô phỏng tỉnh dùng sử dụng thiết kế một quy trình công nghệ mới hoặc cải tiến quy trình công nghệ đã có. Trên thế giới ngày này trong lĩnh vực thiết kế chế tạo thiết bị dầu khí sẽ không thể thiếu công nghệ mô phỏng trƣớc khi thử nghiệm ở môi trƣờng thực tế. Mô phỏng động dùng để mô phỏng một quy trình công nghệ đang vận hành có các thông số thay đổi theo thời gian, khảo sát sự thay đổi các biến phụ thuộc theo sự thay đổi của các yếu tố công nghệ trƣớc khi đƣa vào sản xuất thực tế. Trạng thái động cho thấy sự ảnh hƣởng của các thông số công nghệ theo thời gian. Từ kết quả chạy mô phỏng sẽ cho chúng ta biết các nguyên nhân xảy ra sự cố và cách khắc phục trong thực tế một cách chính xác. Đây là yếu tố rất quan trọng làm giảm sai xót trong thiết kế cũng nhƣ nâng cao tính chính xác của chế độ công nghệ do ngƣời
Học viên: Dƣơng Khắc Hồng Trang 42 Lớp: Cao học KTL-HD 2014B
UNISIM cho phép tính toán về tận dụng nhiệt, tối ƣu hóa quá trình trong sản xuất và tuần hoàn nguyên liệu làm tăng hiệu suất của quá trình. UNISIM là có thƣ viện các thiết bị, các cấu tử và cung cấp công cụ liên kết với dữ liệu khác, cho phép mở rộng phạm vi chƣơng trình và gắn với thực tiễn công nghiệp.
2.2. MÔ PHỎNG QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ MGPP
Theo số số liệu của nguồn khí đƣa vào bờ trong quí I năm 2015 thì áp suất khí ở giàn khoan thấp và dẫn tới áp suất vào bờ cũng thấp theo, áp suất khí vào Slug Catcher theo thiết là 109 bar nhƣng thực tế áp suất chỉ đạt 71,01 bar, để đảm bảo cho các thiết bị hoạt động bình thƣờng trong quy trình công nghệ hiện tại của nhà máy bố trí thêm máy nén K-100 và thiết bị làm mát E-1011 mục đích của hai thiết bị này là đƣa dòng khí về áp suất 109 bar và nhiệt độ môi trƣờng. Do sự sụt giảm sản lƣợng khí từ giàn khoan nên lƣu lƣợng dòng khí hiện tại của nhà máy là 3,855 triệu m3 khí/ngày, do không có nhu cầu tách C3 và C4 trong hỗn hợp bupro nên tháp C-03 không hoạt động. Trong quá trình mô phỏng chọn hệ nhiệt động Peng Robinson, sử dụng cho các quá trình phân tách khí. Hệ cấu tử trong mô phỏng gồm có hydrocacbon từ C1 đến C10 và một số cấu tử khác nhƣ H2O, CO2, N2.
Học viên: Dƣơng Khắc Hồng Trang 44 Lớp: Cao học KTL-HD 2014B
Với mục đích thiết lập giá trị cho một biến quá trình theo một biến khác, biến phụ thuộc gọi là biến mục tiêu (target) và biến độc lập hay biến nguồn (source). Ứng dụng của công cụ tạo nên mối liên hệ các giá trị trong mô phỏng để đáp ứng chính xác nhu cầu trong công nghệ thực tế. Trong thiết kế dầu khí đôi khi các giá trị công nghệ bị phụ thuộc lẫn nhau để đáp ứng yêu cầu của một quá trình thì công cụ Set đƣợc sử dụng là cần thiết.
Bảng 2.2. Danh mục công cụ logic Set
STT Tên công cụ logic Set
Biến nguồn (X) Biến mục tiêu (Y)
Hàm truyền
Thứ nguyên
1 SET-1 To-C05(1) To-C05(2) Y=X+20 kpa
2 SET-2 Q-102 Q-Comp Y=0,9X Hp
3 SET-3 To MIX-100 V06-Dry gas Y=X-150 kpa
4 SET-4 To-V06 V06-Dry gas Y=X-2 oC
- Công cụ logic Adjust:
Làm thay đổi giá trị của biến độc lập (biến nguồn) để đạt đƣợc giá trị của biến mục tiêu trong một dòng khác hay thiết bị khác. Ứng dụng của công cụ khảo sát các sự thay đổi của biến nguồn để tìm một giá trị cụ thể đáp ứng kết quả của biến mục tiêu. Đây là ứng dụng quan trong trong thiết kế dầu khí quá trình khảo sát trong mô phỏng là chia nhỏ các bƣớc lặp để tìm giá trị của biến nguồn với mục đích đạt đƣợc kết quả nhƣ mục tiêu.
Bảng 2.3. Danh mục công cụ logic Adjust
STT Tên công cụ logic Adjust
Biến nguồn Biến mục tiêu Giá trị
mục tiêu
1 ADJ-1 To-C05(1)
(Pressure)
Sale gas (Pressure) 45 bar
2 ADJ-2 C-01 (Spec value
–Ethane)
Bupro (Master comp mole Frac-Ethane)
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 3.1. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
3.1.1. Mô phỏng Slug Catcher
Nhƣ đã giới thiệu Slug Catcher là thiết bị tách lỏng khí, trong thực tế là quá trình tách dùng hai hệ thống ống SC-01 và SC-02. Để đơn giản hóa quá trình trong bài mô phỏng này đƣa về một dạng bình tách ba pha thông thƣờng. Các số liệu đầu vào giống nhƣ số liệu thực tế ngoài hiện trƣờng. Áp suất làm việc 71,01 bar, nhiệt độ 28,40C. Sản phẩm khí của bình tách đƣa qua máy nén K-100 để nén lên 109 bar, sản phẩm lỏng đƣợc đƣa qua bình tách V-03 để chế biến sâu. Slug Catcher trong mô phỏng là bình tách ba pha nƣớc, hydrocacbon lỏng, khí.
Hình 3.1. Giao diện mô phỏng Slug Catcher
Dòng lỏng đi ra từ Slug Catcher đƣợc đƣa ra và giảm áp xuống 60 bar và duy trì ở 200C tại bình tách V-03. Quá trình tách hydrocacbon nhẹ trong Slug Catcher nhờ vào quá trình giảm áp, quá trình giảm áp kéo theo giảm nhiệt độ, để tránh nhiệt độ giảm tháp hơn nhiệt độ hình thành hydrat thì trong bình tách V-03 có bổ sung thiết bị gia nhiệt bổ sung. Dòng lỏng sau khi ra khỏi V-03 đƣợc đƣa tới thiết bị trao đổi nhiệt E-100 để tận dụng nhiệt và làm mát Condensate thƣơng phẩm.Trong thực tế khí ra khỏi Slug Catcher đƣợc đƣa tới bình tách trƣớc khi vào máy nén để tránh hiện tƣợng lỏng hoặc bụi đi vào máy nén sẽ làm hỏng các tầng cánh.
Học viên: Dƣơng Khắc Hồng Trang 46 Lớp: Cao học KTL-HD 2014B Khảo sát ảnh hƣởng của áp suất làm việc đến khả năng thu hồi dòng khí tới máy nén K-100. Khí nguyên liệu là khí đồng hành có giá trị áp suất là biến độc lập điều chỉnh đƣợc, khi thay đổi áp suất có giá trị từ 70 bar đến 90 bar thì lƣu lƣợng khối lƣợng dòng khí cũng thay đổi theo. Áp suất làm việc của Slug Catcher tăng lên thì lƣu lƣợng dòng khí thu đƣợc cũng tăng theo. Áp suất làm việc của Slug catcher phụ thuộc vào áp suất dòng khí đƣa từ biển vào nhà máy, hiện tại áp suất làm việc đang thấp hơn áp suất thiết kế khoảng 20 bar. Khi áp suất thay đổi thì ảnh hƣởng đến khả năng phân tách lỏng khí của dòng khí đầu vào cũng nhƣ ảnh hƣởng đến lƣu lƣợng dòng nguyên liêu cho tháp tách C-05 và C-01.
Ngƣợc lại với lƣu lƣợng dòng khí thì lƣu lƣợng dòng lỏng từ Slug Catcher tới bình tách V-03 giảm theo sự tăng áp suất của làm việc của Slug Catcher. Do lƣu lƣợng khối lƣợng tổng của hydrocacbon ra khỏi Slug Catcher là không đổi nên tổng lƣu lƣợng pha lỏng giảm theo áp suất làm việc bằng tổng lƣu lƣợng pha khí tăng lên.
Hình 3.3. Lưu lượng dòng lỏng thay đổi theo áp suất của Slug Catcher
3.1.2. Mô phỏng bình tách V-03
Chức năng của bình tách V-03 là tiếp nhận dòng lỏng từ Slug Catcher giảm áp qua van LV0131 từ 71,01 bar xuống 60 bar. Sau khi hỗn hợp đƣa vào bình tách V- 03 thì quá trình phân tách đƣợc tiến hành, pha khí V03-vapor thành phần chủ yếu là khí metan và một lƣợng khí etan giảm áp từ 60 bar xuống 28 bar qua van PV-1305 đƣa qua tháp C-01 là tháp tách khí có Reboiler để tiến hành phân tách tiếp. Pha lỏng gồm các hydrocacbon đƣa qua thiết bị trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm đáy tháp C-02, nhiệt độ tăng lên 125,30C van giảm áp qua valve FV-1701 xuống áp suất làm việc của tháp C-01 là từ 60 bar xuống 28 bar. Chức năng của bình tách V-03 nhƣ một quá trình tách sơ bộ để hỗ trợ cho tháp C-01.
Học viên: Dƣơng Khắc Hồng Trang 48 Lớp: Cao học KTL-HD 2014B
Hình 3.4. Giao diện mô phỏng bình tách V-03
Công suất của bình tách -33,78 Hp, vậy để đạt đƣợc các thông số công nghệ đầu vào và ra của bình tách thì phải có thiết bị làm mát cho quá trình tách. Trong thực tế vận hành nếu nhiệt độ trong bình tách V-03 nhỏ hơn 200C thì sẽ đƣợc đun nóng lên nhờ trao đổi nhiệt với dòng dầu nóng mang nhiệt từ bên ngoài vào. Quá trình duy trì nhiệt độ cao để tránh hiện tƣợng hydrat hóa gây tắc nghẽn đƣờng ống.
3.1.3. Mô phỏng thiết bị hấp phụ sấy khí bằng công cụ phân tách Component Splitter