Tên dòng nguyên liệu và sản phẩm:
- Khí đồng hành từ thu từ các mỏ thuộc trũng Cửu Long gồm nhiều thành phần hydrocacbon, với các cấu tử chính là metan, etan, propan, butan… và một số phi hydrocacbon nhƣ nƣớc, CO2, N2…Lƣu lƣợng khí đƣa vào nhà máy trong quí I năm 2015 là 3,855 triệu m3/ngày, nhƣng với thiết kế của nhà máy thì công suất xử lý khí từ 5,7 đến 6,1 triệu m3/ngày. Vậy trong tƣơng lai nhà máy xử lý khí Dinh Cố có thể dẫn một lƣợng khí từ các mỏ thuộc bể Nam Côn Sơn đƣa vào xử lý để đảm bảo công suất tối ƣu của nhà máy.
- Condensate: Là dạng lỏng ở nhiệt độ thƣờng, thành phần là butan, pentan và một số hydrocacbon khác. Condensate là nguồn nguyên liệu pha xăng để làm tăng hàm lƣợng dễ bay hơi về mùa đông động cơ dễ khởi động hơn, làm dung môi pha sơn... - Bupro: Là dạng khí hóa lỏng LPG, thành phần chính là C3 và C4, đƣợc chứa tại kho cảng Thị Vải, khu công nghiệp Cái Mép, tỉnh Bà rịa Vũng tàu. Khí hóa lỏng thƣờng sử dụng cho mục đích LPG dân dụng cung cấp cho các hộ gia đình và các khu công nghiêp, ngoài ra LPG ngày nay còn đƣợc sử dụng làm nhiên liệu cho các phƣơng tiện tham gia giao thông thay thế cho xăng và dầu diesel.
- Sale gas: Là dạng khí khô thƣơng phẩm thành phần chính là metan, etan…làm nhiên liệu cho các nhà máy nhiệt điện, đạm, tổng hợp hữu cơ và một số lĩnh vực khác.
- Fuel gas là dòng khí đƣợc lấy ra từ dòng Sale gas với mục đính làm nhiên liệu cho các heater để đốt nóng dầu sử dụng cho các quá trình trao đổi nhiệt.
Qua các qui trình công nghệ tại nhà máy xử lý khí Dinh Cố thì vấn đề mô phỏng để tìm ra các thông số tối ƣu là rất cần thiết, nếu nhƣ không sử dụng chƣơng trình mô phỏng thì chi phí chi chế tạo cũng nhƣ vận hành thử để tìm ra chế độ công nghệ phù hợp cho nhà máy là rất cao, vì vậy với khoa học công nghệ ngày nay cùng sự hỗ trợ tính toán của các phần mềm ứng dụng thì có thể giải quyết vấn đề với độ chính xác cao và trong một thời gian ngắn. Trong đề tài này sử dụng phầm mềm mô phỏng UNISIM để chạy thử các chế độ của nhà máy và tính toán tối ƣu hóa một số quá trình nhằm mang lại một chế độ vận hành thực tế với lợi ích kinh tế cao nhất và một số tiện ích khác.
Học viên: Dƣơng Khắc Hồng Trang 36 Lớp: Cao học KTL-HD 2014B
1.3.1. Định luật Boyle-Mariotte
Định luật phát biểu: Với một lƣợng khí không đổi n tại một điều kiền nhiệt độ nhất định thì tích số giữa áp suất P và thể tích V là không đổi. n=const, T=const, P.V= const. Đây là trƣờng hợp đặc biệt của phƣơng trình trạng thái khí lý tƣởng: P.V = n.R.T, khi số mol khí không đổi thì ở một nhiệt độ nhất định thì P.V = const. Vậy tại điều kiện trên thì áp suất và thể tích là hai đại lƣợng tỷ lệ nghịch, khi áp suất hỗn hợp khí tăng thì phải tiến hành nén khí để giảm thể tích và khi áp suất hỗn hợp khí giảm phải tiến hành quá trình ngƣợc lại.
1.3.2. Định luật Charles
Khi xem xét khí ở áp suất thấp, Charles thấy rằng một khối lƣợng khí nhất định thì thì thể tích tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của nó:
𝑉
𝑇 = const; đây cũng là trƣờng hợp đặc biệt của phƣơng trình trạng thái khí lý tƣởng P.V = 𝑚
𝑀.R.T Trong đó:
-m là khối lƣợng khí, g
-M khối lƣợng mol của chất khí, g/mol -P áp suất, at
-V thể tích khí, lít -T nhiệt độ tuyệt đối, K -R hằng số, R=0,082
1.3.3. Định luật Dalton
Áp suất riêng phần của mỗi một chất khí tỷ lệ thuận với số mol khí có trong hỗn hợp khí, xét hệ có ba cấu tử thì giá trị áp suất riêng phần và áp suất tổng của hỗn hợp khí lý tƣởng tuân theo công thức sau:
PA= nA.𝑅.𝑇 𝑉 ; PB = nB.𝑅.𝑇 𝑉 ; PC = nC.𝑅.𝑇 𝑉 Trong đó: - nA, nB, nC là số mol khí Áp suất tổng của hỗn hợp khí: P = PA+PB+PC
1.3.4. Định luật Amagate
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