CHƯƠNG II LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT LNG
2.4. Cơng nghệ ba chu trình làm lạnh
Hình 2.7. Mơ hình cơng nghệ ba chu trình làm lạnh
Công 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 công 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. Cơng 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 dòng Propan và dòng MR. Nếu cùng sản xuất một lượng LNG thì lưu lượng dịng MR qua máy nén chỉ bằng 60% và lượng Propan chỉ bằng 80% so với yêu cầu của quá trình C3MR.
Chu trình giản nở Nitơ của AP-XTM là một phiên bản được đơn giản hóa từ các nhà máy tách khí và Nitơ hóa lỏng trên tồn thế giới. Theo kinh nghiệm cho thấy thì các nhà máy này hoạt động khá đơn giản và đáng tin cậy.
Mơ hình đơn giản của Chu trình AP-XTM
như hình 2.8:
Hình 2.8. Mơ hình AP-XTM đơn giản
Chu trình AP-XTM được mơ tả đơn giản như sau:
Khí tự nhiên đã loại bỏ các tạp chất rắn, nước biển và các khí axit được đi qua chu trình làm lạnh bằng propan, tại đây khí tự nhiên được lấy một phần nhiệt bằng cách trao đổi nhiệt với Propan trong thiết bị trao đổi nhiệt. Sau khi ra khỏi chu trình propan,
nhiệt độ của dịng khí tự nhiên giảm xuống khoảng -30oC. Sau đó, nó được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt thứ 2, tại đây nó được trao đổi nhiệt với chất làm lạnh hỗn hợp để giảm nhiệt độ xuống -120oC. Tiếp tục q trình, khí tự nhiên được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt thứ 3, tại đây người ta sử dụng chu trình giản nở Nitơ để làm lạnh ngưng tụ cho dịng khí tự nhiên. Khác với chu trình C3MR, ở đây khơng cần thiết phải sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống xoắn bằng đồng mà chỉ cần sử dụng thiết bị dạng tấm bằng nhôm. Được lấy đi lượng lớn nhiệt, nhiệt độ của khí tự nhiên khi này giảm xuống -162oC và hóa lỏng hồn tồn. Dịng LNG này được đưa đi phân tách khí khơng ngưng tụ và đưa vào bồn chứa để cất trữ hoặc đưa lên tàu vận chuyển đi đến nơi khác.
Tương tự như chu trình C3MR, dòng Propan và MR sau khi làm lạnh cho dòng khí tự nhiên được đưa qua các máy nén, làm lạnh và giảm áp để đạt nhiệt độ cần thiết. Sau đó chúng được tiếp tục quay vịng chu trình để làm lạnh khí tự nhiên. Dịng Nitơ sau khi hóa lỏng cho khí tự nhiên, áp suất của nó bị giảm rất lớn, do đó để tiếp tục chu trình hóa lỏng thì Nitơ cần được đưa qua các cấp máy nén để nâng lên áp suất cần thiết.
2.4.2. Công nghệ CPOC [15],[18]
CPOC – ConocoPhillips Optimized Cascade là một công nghệ được phát triển bởi cơng ty dầu khí Phillip. Phiên bản gốc của CPOC được ra đời từ năm 1967 và đã qua nhiều lần cải tiến để trở thành công nghệ CPOC như ngày nay. CPOC hoạt động liên tục thay vì gián đoạn như phiên bản gốc. Ưu điểm chính của CPOC là nó loại bỏ được các máy nén khí nhiên liệu riêng biệt, cũng như nó thu hồi lượng hơi từ các bồn chứa hay các tàu thay vì chuyển trực tiếp lượng hơi đó đến nơi cần để làm nguyên liệu hay đem đốt, do đó làm tăng sản lượng LNG. Trước kia, một nhà máy sản xuất khí tự nhiên hóa lỏng sử dụng phiên bản cũ có cơng suất 1 - 3,5 MTPA, ngày nay công suất của một nhà máy sử dụng CPOC có thể lên đến 5,5 MPTA.
Mơ hình của CPOC được thể hiện như hình 2.9. Cơng nghệ CPOC được trình bày tóm tắt như sau:
Ngành Cơng nghệ kỹ thuật Hóa học 36 Khoa Hóa học và Cơng nghệ thực phẩm
Khí tự nhiên khi nạp vào nhà máy sẽ được xử lý sơ bộ: rửa, lọc bụi, tách lỏng, loại bỏ khí axit và làm khơ khí. Sau đó, nó được đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt đầu tiên. Tại đây, khí tự nhiên được làm lạnh nhờ trao đổi nhiệt với Propan lỏng, và nhiệt độ của nó được giảm xuống khoảng -35oC. Sau đó, dịng khí tự nhiên tiếp tục đi vào thiết bị trao nhiệt của chu trình làm lạnh thứ 2. Tại đây, nó tiếp tục được làm lạnh xuống -95oC nhờ trao đổi nhiệt với Etylen lỏng. Khí tự nhiên tiếp tục được đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt thứ 3. Ở đây, người ta sử dụng Metan lỏng để lấy đi phần nhiệt cịn lại của khí tự nhiên, làm nhiệt độ dịng khí tự nhiên giảm xuống -161oC. Sau khi được giảm áp về áp suất khí quyển, dịng khí tự nhiên bị hóa lỏng hồn tồn và được bơm vào bồn chứa rồi chuyển lên tàu vận chuyển đi nơi khác.
Ở chu trình làm lạnh đầu tiên bằng Propan, dịng propan ở nhiệt độ -42oC áp suất 3,5bar trao đổi nhiệt với dịng khí tự nhiên, sau khi làm lạnh cho khí tự nhiên nhiệt độ của Propan tăng lên 10oC. Propan ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt được đưa qua các cấp máy nén để nâng áp suất lên 20,5bar. Do sau khi nén nhiệt độ của nó tiếp tục tăng nên cần phải được làm lạnh, và sau đó Propan được giảm áp để giảm xuống nhiệt độ -42oC và tiếp tục chu trình làm lạnh của mình.
Chu trình làm lạnh thứ 2 là chu trình làm lạnh bằng Etylen lỏng, dòng Etylen sau khi lấy nhiệt của khí tự nhiên, nhiệt độ tăng lên khoảng 20oC. Dịng Etylen ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt được qua máy nén để nén đến áp suất 34bar. Sau khi nén, nhiệt độ của Etylen tăng lên, nên nó được cho qua thiết bị làm mát bằng khơng khí rồi cho qua thiết bị trao đổi nhiệt với Propan lỏng. Được Propan lỏng làm lạnh xuống -35oC, sau đó nó được qua van giảm áp để đạt -104oC và quay lại thiết bị trao đổi nhiệt để làm lạnh cho khí tự nhiên.
Cuối cùng là chu trình làm lạnh bằng Metan. Dịng Metan lỏng có nhiệt độ - 162oC sau khi trao đổi nhiệt với khí tự nhiên, nhiệt độ của Metan tăng lên khoảng 25oC. Để quay vịng chu trình làm lạnh cho khí tự nhiên, Metan được nén đến 37bar và làm lạnh xuống -162oC bằng cách làm mát bằng khơng khí sau đó trao đổi nhiệt với Propan và Etylen rồi giảm áp suất đến áp suất cần thiết.
Cơng nghệ CPOC có ưu điểm hơn so với công nghệ cũ là thu hồi lượng khí từ các bồn chứa và tàu rồi cho hồi lưu trở lại để làm lạnh ngưng tụ giúp tăng sản lượng LNG thu được.
2.5. Ðánh giá, lựa chọn công nghệ