2.2.1. Chu trình Nitrogen Expander [8],[16]
Chúng ta có thể hiểu rằng hóa lỏng khí tự nhiên thành LNG chỉ đơn giản là làm lạnh và ngưng tụ khí tự nhiên bằng cách giảm nhiệt độ của khí tự nhiên xuống dưới nhiệt độ hóa lỏng của nó, khi đó khí tự nhiên sẽ trở thành một chất lỏng đồng nhất gọi là LNG. Đây là cơ sở cho q trình hóa lỏng đơn giản như q trình Nitrogen expander được thể hiện như hình 2.1.
Để chuyển khí tự nhiên từ dạng khí sang dạng lỏng thì khí tự nhiên được đi qua bộ phận trao đổi nhiệt để hạ nhiệt độ và hóa lỏng thành LNG. Bộ phận trao đổi nhiệt này sử dụng mơi làm làm lạnh cho khí tự nhiên là nitơ. Nitơ sau khi qua thiết bị trao đổi nhiệt nó được giản nở nhằm tạo nhiệt lạnh để làm lạnh cho khí tự nhiên. Sau khi qua thiết bị trao đổi nhiệt, khí tự nhiên đã hóa lỏng được đưa đi lưu trữ. Với dòng nitơ, sau khi làm lạnh cho khí tự nhiên áp suất của nó giảm, để tuần hồn trở lại, nitơ được đưa qua máy nén và thiết bị làm lạnh để đưa đến áp suất và nhiệt độ cần thiết.
Ngành Cơng nghệ kỹ thuật Hóa học 26 Khoa Hóa học và Cơng nghệ thực phẩm
Hình 2.2. Chu trình Nitrogen Expander
Tuy nhiên, quá trình Nitrogen expander đem lại hiệu quả khơng cao vì khí tự nhiên khi nạp vào phải được làm lạnh tổ hợp trước, và hiệu suất làm lạnh của quá trình này khơng cao, gây mất mát do khơng làm lạnh triệt để. Tuy nhiên, hiệu quả của quá trình này có thể được cải thiện bằng cách thêm nhiều cấp độ làm lạnh để thu được hiệu suất cao hơn, nhưng khi tăng thêm cấp độ làm lạnh thì cũng đồng nghĩa với việc tăng thêm mức độ phức tạp của q trình, tăng chi phí vận hành cũng như các tác động tiềm tàng mà nó có thể mang lại và khả năng hoạt động, mức độ tin cậy của chu trình này cũng cần phải được cân nhắc.
2.2.2. Công nghệ SMR [8], [9], [17]
Quá trình làm lạnh đơn bằng hỗn hợp mơi chất làm lạnh(SMR) giúp làm giảm số lượng các thiết bị so với các q trình khác. Mơi chất làm lạnh của SMR bao gồm các hydrocacbon và Nitơ, thành phần của chúng được điều chỉnh cho phù hợp với biểu đồ đường cong để làm lạnh khí tự nhiên đạt hiệu suất càng cao càng tốt. Với số lượng thiết bị ít hơn và chi phí phải tiêu tốn thấp hơn so với các quá trình khác nên SMR phù hợp với các nhà máy có cơng suất nhỏ.
Q trình SMR sử dụng một tua bin khí hoặc 2 động cơ điện làm bộ phận điều khiển chu trình làm lạnh của hỗn hợp mơi chất. Mặc dù, q trình SMR khơng thu hút được sự chú ý của các nhà máy LNG trên bờ có cơng suất lớn, nhưng nó rất phù hợp với các mơ hình ở ngồi khơi chủ yếu là do quá trình SMR đơn giản, số lượng thiết bị ít và giảm được lượng hydrocacbon mất mát. Ngồi ra, q trình SMR có thể có hiệu quả nếu sử dụng quá trình giản nở hai giai đoạn vì khi đó có thể tận dụng hiệu quả khả năng làm lạnh của hỗn hợp mơi chất khi giản nở. Q trình SMR được thể hiện như hình 2.2 :
Hình 2.3. Mơ hình đơn giản của quá trình SMR
Quá trình này sẽ được trình bày ngắn gọn như sau:
Khí đầu vào của q trình ở nhiệt độ 35oC, áp suất 50 bar đã được loại bỏ tạp chất cơ học, các khí axit cũng như nước cịn lẫn trong khí sẽ được đưa qua thiết bị làm lạnh ngưng tụ. Tại đây, khí tự nhiên sẽ được làm lạnh xuống nhiệt độ -155oC, sau đó dịng khí được đưa qua van giảm áp để giảm áp suất của dòng xuống áp suất khí quyển. Khi đó nhiệt độ của dịng khí tự nhiên giảm xuống -162,9o
C và tồn bộ các hydrocacbon sẽ chuyển từ trạng thái khí sang trạng thái lỏng hồn tồn.
Ngành Cơng nghệ kỹ thuật Hóa học 28 Khoa Hóa học và Cơng nghệ thực phẩm
Ở đây, tác nhân để làm lạnh cho khí tự nhiên được chu trình sử dụng là hỗn hợp các chất làm lạnh gồm Nitơ, metan, etan, propan, butan còn gọi là tác nhân làm lạnh tổ hợp (MR). MR sau khi trao đổi nhiệt với khí tự nhiên, nó bị chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí, do đó để quay vịng chu trình nó cần được hóa lỏng trở lại. Ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt, nó được đưa qua tháp tách lỏng để tách hết phần lỏng cịn lại, sau đó hỗn hợp khí được đưa qua 2 cấp máy nén, sau mỗi cấp máy nén thì hỗn hợp được làm mát để giảm nhiệt độ do quá trình nén. Tiếp theo, nó được qua van giảm áp để làm giảm nhiệt độ xuống nhiệt độ hóa lỏng của hỗn hợp. Khi đạt đến nhiệt độ cần thiết, nó được đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt để làm lạnh cho khí tự nhiên. Tùy vào từng chu trình làm việc mà nó được tùy biến khi trao đổi nhiệt để đạt hiệu suất làm lạnh cao nhất.
Khí tự nhiên sau khi được làm lạnh ngưng tụ, nó được đưa qua các thiết bị phân tách để tách phần lỏng không ngưng, cũng như tách các sản phẩm phụ.
2.3. Công nghệ hai chu trình làm lạnh
Hình 2.4. Mơ hình cơng nghệ hai chu trình làm lạnh
Với nhu cầu sử dụng LNG trên thế giới ngày càng tăng, đã thúc đẩy sự tăng công suất của các nhà máy LNG, nhưng với các cơng nghệ một chu trình làm lạnh thì chỉ phù hợp với các nhà máy, cơ sở sản xuất nhỏ. Do đó, cơng nghệ hai chu trình làm lạnh đã được áp dụng.
2.3.1. Công nghệ C3MR [8],[10],[15],[17]
Công nghệ C3MR với 2 chu trình làm lạnh bằng propan và MR đã được ứng dụng cho ngành công nghiệp chế biến khí trong hơn 30 năm, và cho đến nay nó vẫn cịn
đang được sử dụng nhiều nhất trong các nhà máy LNG trên thế giới. Công nghệ này được đăng ký bản quyền bởi Shell và APCI, nó được áp dụng cho các nhà máy với công suất từ 4 – 5 triệu tấn LNG mỗi năm(MTPA). Nó sử dụng hơi, tua bin khí, nước biển, khơng khí để làm mát và khí ngun liệu có thể là khí béo hoặc khí gầy có chứa Nitơ, có thể thu hồi được một phần sản phẩm LPG trong q trình hóa lỏng. Cơng nghệ C3MR đã được chứng minh là hiệu quả, linh hoạt, đáng tin cậy và chi phí cạnh tranh. Khí nguyên liệu được làm lạnh sơ bộ trước bằng Propan, sau đó nó tiếp tục được làm lạnh bằng dung môi hỗn hợp nhờ thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn (MCHE) với các ống được làm bằng nhôm hoặc vật liệu phù hợp cho sự truyền nhiệt nhằm giảm tối đa năng lượng sử dụng và sự linh hoạt trong quá trình làm lạnh. Sự linh hoạt của cơng nghệ này giúp nó thích ứng được sự thay đổi liên tục của ngành công nghiệp hiện nay.
Phần lớn các nhà máy LNG trên thế giới đều sử dụng công nghệ C3MR. Công suất hiện nay đang gia tăng với tốc độ rất nhanh và dự kiến sẽ tăng 10% mỗi năm trong những năm tới với công suất tăng gấp đôi trong năm 2015(số liệu năm 2011). Sơ đồ cơ bản của một chu trình C3MR được thể hiện như hình 2.5:
Ngành Cơng nghệ kỹ thuật Hóa học 30 Khoa Hóa học và Cơng nghệ thực phẩm
Chu trình này được trình bày ngắn gọn như sau:
Cơng nghệ C3MR có 2 chu trình làm lạnh chính, một chu trình làm lạnh sơ bộ sử dụng dịng propan lỏng ngun chất và chu trình làm lạnh thứ 2 là chu trình hóa lỏng khí tự nhiên sử dịng mơi chất là hỗn hợp của Nitơ, metan, etan, propan, butan. Khí tự nhiên đã tách lỏng, loại tạp chất cơ học được đưa qua bộ phận loại khí axit, tại đây các khí axit(H2S, CO2,..) được loại bỏ bằng cách sử dụng amin hấp thụ và amin được giải hấp ngay sau đó rồi quay lại chu trình. Sau khi được làm ngọt, khí tự nhiên được sấy khô và làm lạnh sơ bộ xuống khoảng -350C nhờ chu trình propan. Sau khi làm lạnh sơ bộ, khí tự nhiên đi qua hệ thống ống trong bộ trao đổi nhiệt ngưng tụ, tại đây nó được hóa lỏng và làm lạnh sâu đến khoảng từ -1500C đến -1620
C bằng chất làm lạnh hỗn hợp(MR). Phần khí khơng ngưng như một vài hydrocacbon và Nitơ được tách ra nhờ thiết bị tách lỏng và đi ra ở đỉnh, sản phẩm LNG được lấy ra ở đáy và đưa vào bồn chứa hoặc vận chuyển đi nơi khác bằng tàu.
Dịng propan để làm lạnh sơ bộ có nhiệt độ khoảng -42oC và áp suất 1 bar được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt đầu tiên, tại đây nó lấy nhiệt của dịng khí tự nhiên làm giảm nhiệt độ dịng khí tự nhiên xuống -35oC. Sau khi qua thiết bị trao đổi nhiệt, nhiệt độ dòng propan tăng từ -42oC lên 10oC. Để quay vịng chu trình làm lạnh thì hỗn hợp này cần được làm lạnh trở lại bằng cách cho nó đi qua các cấp nén, làm lạnh và cuối cùng là giảm áp để đạt được nhiệt độ cần thiết cho quá trình làm lạnh tiếp theo.
Để có thể hóa lỏng hồn tồn khí tự nhiên cần sử dụng dịng chất làm lạnh hỗn hợp có nhiệt độ -158oC và áp suất 3bar. Hỗn hợp này đi vào thiết bị làm lạnh ngưng tụ thứ 2, tại đây nó lấy nhiệt của dịng khí tự nhiên, làm nhiệt độ của khí tự nhiên giảm xuống khoảng -155oC. Sau khi làm lạnh nhiệt độ của dòng MR tăng lên 10oC, để quay vịng chu trình làm lạnh thì nó cần được đưa trở lại -158oC. Đầu tiên, nó được đưa qua các cấp máy nén để nén đến áp suất cần thiết khoảng 30 bar, sau đó là làm lạnh do sau khi nén thì nhiệt độ tăng lên rất cao, và cuối cùng được qua van giảm áp để đạt áp suất và nhiệt độ cần thiết cho q trình làm lạnh sâu.
2.3.2. Cơng nghệ DMR [6],[8]
DMR là một công nghệ được nâng cấp từ C3MR, nó đã thay thế chu trình làm lạnh sơ bộ bằng Propan thành hỗn hợp chất làm lạnh gồm metan, etan, propan và butan, cịn ở chu trình hóa lỏng khí, DMR cũng sử dụng hỗn hợp chất làm lạnh giống như C3MR. Như vậy, DMR sử dụng hai chu trình làm lạnh bằng hỗn hợp chất làm lạnh tuy có khác nhau về thành phần và nhiệt độ sơi, có thể gọi là cơng nghệ hỗn hợp chất làm lạnh kép(Dual mixed refrigerant). Việc sử dụng hỗn hợp chất làm lạnh thay cho Propan giúp làm giảm lượng Propan cần tồn trữ trong bồn chứa phục vụ cho quá trình làm lạnh. Hơn nữa, khi thành phần của hỗn hợp chất làm lạnh được tối ưu hóa thường sẽ chứa rất ít hoặc khơng chứa Propan và các hệ quả xấu của việc loại bỏ propan sẽ được giảm xuống tối thiểu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
DMR được đăng ký bản quyền bởi Shell, APCI và Axens-IFP. Công nghệ này rất linh hoạt có thể sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt với các lớp trao đổi nhiệt hoặc ống trao đổi nhiệt dạng xoắn giúp tăng hiệu quả trao đổi nhiệt và tiết kiệm không gian đối với cả hai chu trình trao đổi nhiệt hóa lỏng. Và DMR tận dụng được tối đa nguồn năng lượng cung cấp cho tuabin để cân bằng cho quá trình. Quá trình DMR cũng đạt được hiệu quả tương đương với C3MR, nó cũng đã được sử dụng thành cơng trong nhà máy LNG trên đất liền nhưng quá trình này phù hợp hơn khi sử dụng trên các tàu nổi, kho nổi.
Mơ hình cơng nghệ DMR cơ bản được thể hiện như hình 2.6. Quá trình DMR được mơ tả như sau:
Khí tự nhiên ở nhiệt độ khoảng 35oC và áp suất 50bar sau khi đã được loại bỏ các tạp chất cơ học, tách lỏng và loại khí axit sẽ được đi qua thiết bị trao đổi nhiệt, tại đây khí tự nhiên được trao đổi nhiệt với dòng hỗn hợp chất làm lạnh để giảm nhiệt độ xuống -50,8oC. Dịng khí tự nhiên sau khi làm lạnh sơ bộ, được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt thứ hai, tại đây nó tiếp tục được trao đổi nhiệt với dịng hỗn hợp chất làm lạnh để làm lạnh sâu hơn xuống nhiệt độ -155o
Ngành Cơng nghệ kỹ thuật Hóa học 32 Khoa Hóa học và Cơng nghệ thực phẩm
áp để giảm áp suất từ 50 bar xuống áp suất khí quyển từ 1 – 1,5 bar, khi đó nhiệt độ dịng khí tự nhiên được giảm xuống -162,9oC và gần như toàn bộ các hydrocacbon được hóa lỏng hồn tồn, một phần nhỏ khí khơng bị hóa lỏng có thể gồm một vài hydrocacbon và Nitơ nên dịng khí tự nhiên đã hóa lỏng được đi qua tháp tách lỏng để loại bỏ phần khí cịn lại.
Hình 2.6. Mơ hình cơ bản của quá trình DMR
Dịng hỗn hợp chất làm lạnh sơ bộ có nhiệt độ -53,71oC và áp suất 3 bar được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt đầu tiên, tại đây nó lấy nhiệt của dịng khí tự nhiên làm giảm nhiệt độ dịng khí tự nhiên xuống -50,8oC. Sau khi qua thiết bị trao đổi nhiệt, nhiệt độ dòng hỗn hợp chất làm lạnh sơ bộ tăng từ -53,7oC lên 10oC. Để quay vịng chu trình làm lạnh thì hỗn hợp này cần được làm lạnh trở lại bằng cách cho nó đi qua các cấp nén, làm lạnh và cuối cùng là giảm áp để đạt được nhiệt độ cần thiết cho quá trình làm lạnh tiếp theo.
Để có thể hóa lỏng hồn tồn khí tự nhiên cần sử dụng dịng hỗn hợp chất làm lạnh sâu ở nhiệt độ -158oC và áp suất 3 bar có thành phần gồm Nitơ, metan, etan,
propan và butan. Hỗn hợp này sau khi làm lạnh để hóa lỏng khí tự nhiên ở thiết bị làm lạnh ngưng tụ thứ 2 thì nhiệt độ của nó tăng lên 10oC, để quay vịng chu trình làm lạnh thì nó cần được đưa trở lại -158oC. Đầu tiên, nó được đưa qua các cấp máy nén để nén đến áp suất cần thiết khoảng 30 bar, sau đó là làm lạnh do sau khi nén thì nhiệt độ tăng lên rất cao, và cuối cùng được qua van giảm áp để đạt áp suất và nhiệt độ cần thiết cho quá trình làm lạnh sâu.
2.4. Cơng nghệ ba chu trình làm lạnh
Hình 2.7. Mơ hình cơng nghệ ba chu trình làm lạnh
Cơng nghệ ngày một càng phát triển và không ngừng cải tiến, sửa đổi những nhược điểm của công nghệ cũ để cho ra đời những cơng nghệ mới hồn thiện hơn, sử dụng được với công suất lớn hơn. Ở một số quốc gia, nguồn cung khí rất dồi dào, do đó cần mở rộng cơng suất nhà máy để thu tối đa lợi nhuận từ nguồn khí khai thác được. Vì vậy, các nhà khoa học đã cải tiến cơng nghệ hai chu trình làm lạnh và cho ra đời cơng nghệ ba chu trình làm lạnh.
2.4.1. Công nghệ AP-XTM [7],[10],[16]
AP-XTM là công nghệ được nâng cấp từ công nghệ C3MR. AP-XTM sẽ tăng công suất của một nhà máy lên 7 – 10 MPTA, công suất mở rộng này sẽ làm giảm đáng kể chi phí vốn cho một nhà máy LNG. Ngồi ra, nó khơng chỉ tăng cơng suất của một nhà máy lên tối đa mà còn tăng khả năng thu hồi LPG, lượng nhiệt cần tiêu tốn cho q trình hóa lỏng khí thấp hơn và hiệu quả thì đạt tối đa, trong khi đó AP-XTM vẫn duy trì được hiệu quả, sự linh hoạt và độ tin cậy của quá trình C3MR.
Ngành Cơng nghệ kỹ thuật Hóa học 34 Khoa Hóa học và Cơng nghệ thực phẩm
Giống như C3MR ở 2 chu trình làm lạnh đầu, AP-XTM sử dụng Propan ở giai đoạn làm lạnh sơ bộ và MR ở giai đoạn làm lạnh thứ hai, tuy nhiên thay vì sử dụng MR để làm lạnh sâu thì AP-XTM sử dụng chu trình giản nở Nitơ để làm lạnh và hóa lỏng cho khí tự nhiên. Bằng cách này nó giúp làm giảm lưu lượng của dịng Propan và dịng MR. Nếu cùng sản xuất một lượng LNG thì lưu lượng dòng MR qua máy nén chỉ bằng