Sản phẩm thô thu được bao gồm: lỏng tại Slug catcher, lỏng tại đáy tháp Demethanizer (T-100). Phần lỏng này chứa lượng lớn thành phần C2+, vì vậy để thu được các sản phẩm khác nhau, ta phải tiến hành chưng cất để tách Etan, LGP, Condensate như mong muốn. Như vậy ta phải có tối thiểu hệ thống gồm 03 tháp chưng cất demethanizer, tháp deethanizer, tháp ổn định condensate để tách các sản phẩm theo yêu cầu. Mô hình đơn giản nhất của cụm tháp chưng cất có thể được mô tả như sau:
Hình 2.8. Sơ đồ cụm chưng cất phân đoạn sản phẩm
Xây dựng sơ đồ hoàn chỉnh.
Thuyết minh sơ đồ công nghệ:
Khí vào nhà máy là khí đồng hành từ mỏ Bạch Hổ và mỏ Rạng Đông với lưu lượng 5,7 triệu m3 khí ẩm/ngày, được đưa vào hệ thống Slug-Catcher để tách Condensat và nước trong ở áp suất 60-70 bar và nhiệt độ từ 23-280C.
Hỗn hợp lỏng ra khỏi Slug-Catcher được đưa vào thiết bị tách ba pha V-03 làm việc ở nhiệt độ 200C, áp suất 47 bar thấp hơn so với áp suất ở chế độ GPP thiết kế là 75 bar nhằm mục đích xử lý thêm lượng lỏng đến từ bình tách V-101 của dòng Bypass.
Hỗn hợp khí ra khỏi Slug-Catcher được chia thành hai dòng:
V-101 để tách riêng lỏng và khí. Lỏng đi ra tại đáy bình tách V-101 được đưa vào thiết bị tách ba pha V-03 để tách sâu hơn, còn khí ra ở đỉnh bình tách V-101 được sử dụng như khí thương phẩm cung cấp cho các nhà máy điện bằng hệ thống ống dẫn có đường kính 16 inch.
- Dòng khí thứ hai là dòng khí chính với lưu lượng khoảng 4,9 triệu m3 khí ẩm/ngày được đưa vào hệ thống 4 máy nén khí K-1011A/B/C/D để nén dòng khí từ áp suất 60-70 bar lên áp suất theo thiết kế là 109 bar với nhiệt độ 400C, dòng khí này được đưa vào thiết bị lọc V-08 để tách tinh lượng lỏng còn lại trong khí và lọc bụi bẩn. Dòng khí ra khỏi V-08 được đưa vào thiết bị V-06A/B để tách loại nước trong không khí với mục đích tránh tạo hydrat trong quá trình làm lạnh sâu khí sau này. Sau đó được đưa qua thiết bị lọc F-01A/B để tách lọc bụi bẩn có trong khí. Phần lỏng ra khỏi thiết bị V-08 được đưa vào bình tách ba pha V-03 để tiếp tục xử lý tiếp.
Dòng khí sau khi được tách nước ở V-06A/B và lọc bụi ở F-01A/B là khí khô, dòng này được chia làm hai phần:
- Phần thứ nhất khoảng 1/3 lượng khí khô ở trên được đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt E-14 bằng cách thực hiện quá trình trao đổi nhiệt với dòng khí có nhiệt độ -450C đi ra từ đỉnh tháp tinh cất C-05, qua đây nhiệt độ của dòng khí sẽ giảm đến -35oC. Sau khi thực hiện quá trình làm lạnh nhờ trao đổi nhiệt, dòng khí được đưa qua van điều khiển FV-1001 để giảm áp suất xuống 37 bar, đồng thời với quá trình giảm áp nhiệt độ của dòng khí sẽ giảm xuống -65oC. Lúc này dòng khí sẽ chứa khoảng 56% mol lỏng và được đưa tới đĩa trên cùng của thiết bị tinh cất C-05 như một dòng hồi lưu ngoài.
- Phần thứ hai khoảng 2/3 dòng khí còn lại được đưa vào đầu giãn nở của thiết bị CC-01 để thực hiện việc giảm áp từ 109 bar xuống tới 37 bar và nhiệt độ giảm xuống -12oC. Dòng khí lạnh này sau đó được đưa vào đáy của tháp tinh cất C- 05.
Như vậy khí khô sau khi ra khỏi thiết bị lọc F-01A/B được tách ra và đưa sang các thiết bị E-14 và CC-01 để giảm nhiệt độ sau đó đưa vào tháp tinh cất C-05 hoạt động ở áp suất 37 bar, nhiệt độ của đỉnh tháp và đáy tháp tương đương là -45oC
và -15oC, tại đây khí (chủ yếu là Metan và Etan) được tách ra tại đỉnh tháp. Thành phần pha lỏng (chủ yếu là Propan và các cấu tử nặng hơn) được tách ra từ đáy tháp.
Hỗn hợp khí đi ra từ đỉnh tháp C-05 thành phần chủ yếu là Metan và Etan có nhiệt độ -45oC được sử dụng làm tác nhân lạnh cho thiết bị trao đổi nhiệt E-14 và sau đó được nén tới áp suất 54 bar trong phần nén của thiết bị CC-01. Hỗn hợp khí đi ra từ thiết bị này được đưa vào hệ thống đường ống 16 inch đến các nhà máy điện như là khí thương phẩm.
Hỗn hợp lỏng đi ra từ đáy tháp tinh cất C-05 có thành phần là C3+, chủ yếu là Propan được đưa vào đỉnh tháp C-01 như dòng hồi lưu ngoài.
Tháp tách Etan C-01 là một tháp đĩa dạng van hoạt động như một thiết bị chưng cất. Trong chế độ GPP chuyển đổi tháp C-01 có hai dòng nguyên liệu đi vào là dòng lỏng từ đáy tháp C-05 đi vào đĩa trên cùng và dòng lỏng từ đáy bình tách V-03 sau khi được gia nhiệt tại E-04 được đưa vào đĩa thứ 20. Tháp C-01 có nhiệm vụ tách hydrocacbon nhẹ như Metan và Etan ra khỏi Condensat, khi hoạt động tháp có áp suất 27,5 bar, nhiệt độ đỉnh 14oC, nhiệt độ đáy 109oC được duy trì nhờ thiết bị gia nhiệt E-01A/B. Khí nhẹ ra khỏi đỉnh tháp C-01 được đưa vào bình tách V-12 để tách lỏng có trong khí, sau đó được máy nén K-01 nén từ áp suất 27,5 bar đến áp suất 47,5 bar rồi đưa vào bình tách V-13 được nén tiếp đến 75 bar nhờ máy nén K- 02, được làm mát nhờ thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí E-19. Dòng khí ra khỏi E-19 lại được máy nén K-03 nén đến áp suất thiết kế là 109 bar, sau đó được làm mát tại thiết bị trao đổi nhiệt E-13 và cuối cùng quay trở lại bình tách V-08 như là nguyên liệu đầu vào.
Hỗn hợp lỏng ra khỏi đáy C-01 có thành phần chủ yếu là C3+ được đưa vào bình ổn định V-15 sau đó được đưa vào đĩa thứ 11 của tháp C-02.
Tháp ổn đỉnh C-02 là một tháp đĩa dạng van bao gồm 30 đĩa, áp suất làm việc 11 bar, nhiệt độ đỉnh 55oC, nhiệt độ đáy 134oC (được duy trì nhờ Reboiler E- 03). Tháp C-02 có nhiệm vụ tách riêng hỗn hợp Bupro gồm Propan và Butan ra khỏi Condensat. Hỗn hợp Bupro ra khỏi đỉnh C-01 có nhiệt độ 55oC được làm mát đến 43oC nhờ thiết bị làm mát bằng quạt E-02, sau đó được đưa sang bình ổn định V-02, một phần nhỏ Bupro được hồi lưu lại đỉnh tháp C-01 còn phần lớn được làm
lạnh lần nữa tại E-12 sau đó được đưa vào bồn chứa để xuất ra xe bồn hoặc đưa về kho cảng Thị Vải.
Condensat ra khỏi đáy tháp C-02 có nhiệt độ cao được tận dụng để gia nhiệt cho dòng lỏng ra từ đáy V-03 thông qua thiết bị trao đổi nhiệt E-04, đồng thời nhiệt độ của dòng Condensat cũng giảm xuống còn 60oC, sau đó được làm mát tiếp đến 45oC tại thiết bị làm lạnh bằng quat E-09.
Hệ thống bên dưới gồm ba bồn chứa LPG là V-21 A/B/C và một bồn chứa Condensat là TK-21, được dùng để dự phòng và nạp LPG cho xe bồn. Bồn chứa V-21A dùng để chứa propan, V-21B dùng để chứa butan, V-21C dùng để chứa các sản phẩm không đạt chất lượng. Sản phẩm propan và butan được bơm P-21A/B bơm xuất LPG cho xe bồn qua trạm xuất ME-21.
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN CHO THÁP TÁCH LPG (C-02) 3.1. Nguyên liệu và yêu cầu phân tách
3.1.1. Nguyên liệu
Nguyên liệu đầu vào tháp C-02 là hỗn hợp lỏng hơi C3+ có các đặc trưng sau : - Nhiệt độ :TnL = 750C
- Áp suất : PnL = 1,12 Mpa = 11,05 atm
- Lưu lượng : QF = 1163 Kmol/h = 27912 kmol/ngày.
Bảng 3.1. Thành phần nguyên liệu
Etan C2 0,0098 30,070 12273,5376 Propan C3 0,4227 44,097 11798,4024 Iso-butan i-C4 0,1309 58,123 3653,6808 n-butan n-C4 0,1998 58,123 5576,8176 Iso-pentan i-C5 0,0594 72,150 1657,9728 n- pentan n-C5 0,0676 72,150 1886,8512 n-Hexan n-C6 0,0567 86,177 1582,6104 n-Heptan n-C7 0,0317 100,204 884,8104 n-Octan n-C8 0,0121 114,231 337,7352 n-Nonan n-C9 0,0066 128,258 184,2192 n-decan n-C10 0,0019 142,285 53,0328 n-C11 n-C11 0,0008 156,310 22,3296 Tổng 1,0000 27912
3.1.2. Yêu cầu phân tách
Thành phần phần trăm các cấu tử yêu cầu phân tách trong tháp cho trong bảng sau :
Bảng 3.2. Thành phần % các cấu tử cần phân tách
Chất Nguyên liệu Đỉnh tháp Đáy tháp
Fi (%) Di (%) Bi (%) Etan 100 100 0 Propan 100 100 0 Iso-butan 100 99 1 n-butan 100 97 3 Iso-pentan 100 17 83 n- pentan 100 2 98 n-Hexan 100 0,1 99,9 n-Heptan 100 0 100 n-Octan 100 0 100 n-Nonan 100 0 100 n-decan 100 0 100 n-C11 100 0 100 Từ bảng 3.1 và bảng 3.2 ta có bảng 3.3:
Bảng 3.3. Nồng độ phần mol và lưu lượng mỗi cấu tử trong các dòng sản phẩm và nguyên liệu
Cấu Nguyên liệu (F) Đỉnh tháp (D) Đáy tháp (B)
tử ngày) C2 0,0098 273,5376 0,0128 273,5376 0 0 C3 0,4227 11798,4024 0,5508 11798,4024 0 0 i-C4 0,1309 3653,6808 0,1688 3617,144 0,0056 36,5368 n-C4 0,1998 5576,8176 0,2525 5409,5131 0,0258 167,3045 i-C5 0,0594 1657,9728 0,0132 281,8554 0,2120 1376,1174 n-C5 0,0676 1886,8512 0,0018 37,737 0,2848 1849,1142 n-C6 0,0567 1582,6104 0,0001 1,5826 0,2435 1581,0278 n-C7 0,0317 884,8104 0 0 0,1363 884,8104 n-C8 0,0121 337,7352 0 0 0,0520 337,7352 n-C9 0,0066 184,2192 0 0 0,0284 184,2192 n-C10 0,0019 53,0328 0 0 0,0082 53,0328 n-C11 0,0008 22,3296 0 0 0,0034 22,3296 Tổng 1 27912 1 21419,7721 1 6492,2279
3.2. Tính toán các thông số hoạt động của tháp chưng cất3.2.1. Nhiệt độ làm việc tại bình hồi lưu 3.2.1. Nhiệt độ làm việc tại bình hồi lưu
Nhiệt độ làm việc tại bình hồi lưu phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc của môi trường (nếu tác nhân làm lạnh là không khí) hoặc nhiệt độ của nước (nếu tác nhân làm lạnh là nước). Thường là từ 380C đến 900C là giới hạn an toàn của bình hồi lưu. Với nhà máy GPP Dinh Cố tác nhân làm lạnh là không khí nên trong đề tài này ta chọn nhiệt độ tại bình hồi lưu là 450C.
3.2.2. Áp suất làm việc tại bình hồi lưu
Áp suất này chính là áp suất điểm sôi của sản phẩm đỉnh tháp tại 450C. Bằng phương pháp giả sử - kiểm tra ta có thể tính được áp suất ở bình hồi lưu khi biết nhiệt độ bình hồi lưu là 450C. Sau một số lần kiểm tra ta nhận được kết quả như ở bảng sau.
Bảng 3.4. Tính áp suất tại bình hồi lưu
Cấu tử
Phần
mol P=158 psi, 45
0C P=155 psi, 450C P = 152 psi,450C
xDi ki yi= ki.xDi ki yi= ki.xDi ki yi= ki.xDi
C2 0,0128 3,78 0,0484 3,9 0,0499 3,91 0,05 C3 0,5508 1,27 0,6995 1,3 0,716 1,31 0,7215 i-C4 0,1688 0,604 0,1020 0,61 0,103 0,63 0,1063 n-C4 0,2525 0,468 0,1182 0,48 0,1212 0,49 0,1237 i-C5 0,0132 0,21 0,0028 0,215 0,0028 0,218 0,0029 n-C5 0,0018 0,152 0,0003 0,153 0,0003 0,155 0,0003
Tổng 1 0,9702 0,9932 1,0047
Ta thấy P = 158 psi thoả mãn điều kiện ∑ki.xDi#1 Do đó áp suất bình hồi lưu là Phl = 158 psi = 10,75 atm
3.2.3. Tính áp suất của Reboiler
Vì áp suất hồi lưu của tháp là PhL= 10,75 atm và áp suất của nguyên liệu đầu vào PnL = 11,05 atm nên ta ước tính áp suất của Reboiler là :
PnL = 2
R hL
P +P
=> PR = 2.PnL – PhL = 11,35 atm
3.2.4. Tính nhiệt độ của Reboiler
Là nhiệt độ điểm sôi của sản phẩm đáy tháp tại áp suất của nồi tái đun là 11,76 atm.
Dựa vào phương pháp giả sử kiểm tra ta thu được kết quả ở bảng sau :
Bảng 3.5. tính toán nhiệt độ của Reboiler
Cấu tử Phần mol T=155 0C(11,76atm) T=1600C(11,76atm) T=145 0C (11,76atm)
xBi ki yi=ki.xBi ki yi=ki.xBi ki yi=ki.xBi
i-C4 0,0056 2,5 0,014 2,7 0,0151 2,4 0,0134 n-C4 0,0258 2,2 0,0568 2,4 0,0619 2,12 0,0547 i-C5 0,2120 1,35 0,2862 1,45 0,3074 1,25 0,265 n-C5 0,2848 1,25 0,356 1,35 0,3845 1,10 0,3133 n-C6 0,2435 0,7 0,1705 0,76 0,1851 0,63 0,1534 n-C7 0,1363 0,39 0,0532 0,44 0,06 0,30 0,041 n-C8 0,0520 0,23 0,012 0,25 0,013 0,14 0,0073 n-C9 0,0284 0,15 0,0043 0,16 0,0045 0,1 0,0028 n-C10 0,0082 0,09 0,0007 0,1 0,0008 0,07 0,0006 n-C11 0,0034 0,06 0,0002 0,07 0,0002 0,045 0,0002 Tổng 1 0,9539 1,0325 0,8517
Ở lần kiểm tra thứ 3 ta thoả mãn điều kiện ∑k xi. Bi #1 Vậy nhiệt độ Reboiler là TR =145 0C
3.2.5. Tính áp suất tại đỉnh tháp chưng cất
Trong tính toán thiết kế tháp chưng cất, người ta thường giả thiết rằng : - Sự sụt áp trên đường ống từ đỉnh tháp đến bình hồi lưu là: P1 = 1,5 Psi
Khi đó ta có áp suất tại đỉnh tháp chưng cất sẽ là :
Pđỉnh = P1 + P2 + Phl = 1,5 + 2,5 + 158 = 162 Psi = 11,02 atm Vậy Pđỉnh = 162 Psi = 11,02 atm
3.2.6. Tính nhiệt độ đỉnh tháp chưng cất
Nhiệt độ đỉnh tháp là nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp hơi đi ra từ đỉnh tháp tại áp suất đỉnh tháp Pđỉnh = 162 Psi.Bằng phương pháp tính gần đúng giả sử - kiểm tra để tính nhiệt độ ở đỉnh tháp, ở áp suất đỉnh tháp 162 Psi, kết quả sau một số lần kiểm tra cho ở bảng 4.6.
Bảng 3.6. Số liệu liên quan đến phép tính nhiệt độ ở đỉnh tháp chưng cất
Cấu tử Phần mol T = 570C (162 Psi) T = 600C (162 Psi) T = 540C (162 Psi) yi=xDi ki xi=xDi/ki ki xi=xDi/ki ki xi=xDi/ki C2 0,0128 4,63 0,0027 4,63 0,0028 4,6 0,0028 C3 0,5508 1,52 0,3624 1,53 0,36 1,49 0,3697 i-C4 0,1688 0,83 0,2034 0,84 0,201 0,8 0,211 n-C4 0,2525 0,64 0,3945 0,65 0,3885 0,61 0,414 i-C5 0,0132 0,28 0,0471 0,3 0,044 0,24 0,055 n-C5 0,0018 0,22 0,0082 0,26 0,0069 0,18 0,01 n-C6 0,0001 0,06 0,0017 0,1 0,001 0,04 0,0025 Tổng 1 1,02 1,0042 1,065 Ở lần kiểm tra thứ ba ta có ∑ #1 k x i iD
Vậy nhiệt độ ở đỉnh tháp chưng cất là : Tđỉnh =540C
3.2.7. Tính áp suất ở đáy tháp
Áp suất tại đỉnh tháp là Pđỉnh = 11,02 atmvà áp suất của nguyên liệu đầu vào là PnL = 11,05 atm. Ta ước tính áp suất của nguyên liệu vào là áp suất trung bình của tháp. Khi đó ta có:
PnL = (Pđỉnh + Pđáy)/2 => Pđáy = 2.PnL - Pđỉnh = 2.11,05 – 10,68 Vậy Pđáy = 11,08 atm
Nhiệt độ này là nhiệt độ điểm sôi của sản phẩm đáy tại áp suất đáy Pđáy = 11,08 atm. Bằng phương pháp tính gần đúng giả sử - kiểm tra để tính nhiệt độ ở đáy tháp ở áp suất Pđáy =11,08 atm. Kết quả sau một số lần kiểm tra ở bảng sau.
Bảng 3.7 tính toán nhiệt độ đáy tháp
Cấu tử Phần mol T=1450C (11,08atm) T=1480C (11,08atm) T=1350C (11,08atm)
xBi ki yi=ki.xBi ki yi=ki.xBi ki yi=ki.xBi
i-C4 0,0056 2,4 0,0134 2,5 0,014 2,1 0,0118 n-C4 0,0258 2,1 0,0542 2,15 0,0555 1,94 0,05 i-C5 0,2120 1,25 0,265 1,35 0,2862 1,12 0,2374 n-C5 0,2848 1,15 0,3275 1,45 0,413 0,97 0,2763 n-C6 0,2435 0,64 0,1558 0,69 0,168 0,62 0,1510 n-C7 0,1363 0,34 0,0463 0,37 0,0504 0,31 0,0423 n-C8 0,0520 0,19 0,0099 0,2 0,0104 0,17 0,0088 n-C9 0,0284 0,12 0,0034 0,14 0,004 0,1 0,0028 n-C10 0,0082 0,07 0,0006 0,08 0,0007 0,05 0,0004 n-C11 0,0034 0,045 0,0002 0,05 0,0002 0,03 0,0001 Tổng 1 0,8763 1,0024 0,7909 Ở lần kiểm tra thứ ba ta có ∑ki.xiR #1 =>Vậy nhiệt độ ở đáy tháp là : Tđáy=1350C
3.2.9. Kết luận chung về điều kiện hoạt động của tháp
Bình hồi lưu Đỉnh tháp Đáy tháp Reboiler
Nhiệt độ (0C) 45 54 135 145
Áp suất (atm) 10,75 11,02 11,08 11,35
Theo số liệu ở trên ta có điều kiện hoạt động trung bình của tháp là : • Ttb=(Tđỉnh + Tđáy)/2 = (54 + 135)/2 = 94,5oC
• Ptb = PnL= 11,05 atm
3.3. Tính số đĩa lý thuyết theo phương pháp FUG (Fenske-Underwood-Gillian)
Căn cứ vào số liệu của bảng 4.3 ta có thể chọn các cấu tử chìa khoá của hỗn