Phương pháp làm lạnh ngưng tụ
a. Cơ sở quá trình ngưng tụ:
Nếu bỏ qua các tổn thất áp suất trong quá trình vận chuyển và chế biến thì quá trình ngưng tụ khí có thể coi là quá trình làm lạnh đẳng áp cho tới nhiệt độ tương ứng với áp suất tại đó, sẽ xuất hiện pha lỏng. Khí đồng hành và khí thiên nhiên là hỗn hợp đa cấu tử, do đó quá trình chuyển pha và các vùng tới hạn của chúng khác nhiều so với các quá trình tương ứng của các chất tinh khiết.
Hình 2-9: Giản đồ pha của hệ đa cấu tử.
+ Điểm C : Điểm tới hạn, tại đó không phân biệt được pha lỏng hay pha hơi. + Điểm M : Điểm áp suất cực đại tại đó tồn tại cân bằng giữa pha lỏng và pha hơi. + Điểm N : Điểm nhiệt độ cực đại tại đó pha lỏng và pha hơi tồn tại cân bằng.
Đối với hỗn hợp Condensate : Thì có vùng ngưng tụ ngược (phần gạch chéo) là vùng trong đó sự ngưng tụ chất lỏng xảy ra nhờ sự hạ thấp áp suất hoặc tăng nhiệt độ. Vị trí của giản đồ phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp. Đối với hỗn hợp hydrocacbon điểm C có thể nằm giữa điểm M và điểm N hay nằm phía bên trái điểm M. Đường thẳng ABDE biểu diễn quá trình ngưng tụ ngược đẳng nhiệt diễn ra trong giếng condensat. Điểm A biểu thị đơn pha của chất lỏng nằm ngoài đường bao. Khi hạ thấp áp suất tới điểm B thì quá trình ngưng tụ bắt đầu, khi tiếp tục hạ áp suất chất lỏng sẽ hình thành nhiều hơn, khi quá trình tiếp tục và thoát ra khỏi vùng ngưng tụ ngược thì lượng lỏng hình thành sẽ giảm đi đến khi gặp điểm sương E, dưới điểm sương E thì hỗn hợp tạo thành ở trạng thái hơi.
Khi gia nhiệt đẳng áp theo đường C thì xảy ra quá trình ngưng tụ ngược còn khi làm lạnh đẳng áp (quá trình ngược lại) tại điểm C bắt đầu quá trình bay hơi ngược (khi giảm nhiệt độ).
Mức độ ngưng tụ các hydrocacbon sẽ tăng khi áp suất tăng ở nhiệt độ không đổi hoặc khi giảm nhiệt độ áp suất không đổi. Tuy nhiên quá trình ngưng tụ của hai trường hợp này sẽ xảy ra khác nhau. Khi tăng áp suất và giữ nguyên nhiệt độ không đổi thì mức độ ngưng tụ tăng, nhưng sự phân tách các hydrocacbon sẽ kém đi, trong pha lỏng cùng với cấu tử nặng sẽ có cùng một lượng cấu tử nhẹ hoà tan. Ngược lại khi giảm
nhiệt độ và giữ nguyên áp suất thì mức độ ngưng tụ tăng lên cùng với sự phân tách các cấu tử hydrocacbon nặng và nhẹ tốt hơn.
Vì vậy phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp được coi là phương pháp hiệu quả và kinh tế nhất trong công nghệ chế biến khí.
b. Quá trình ngưng tụ
Phương pháp ngưng tụ khí ở nhiệt độ thấp -25÷ -350C, áp suất cao 3,0÷ 4,0 MPa được coi là phương pháp có hiệu quả kinh tế cao nhất, để chế biến khí thiên nhiên và khí đồng hành.
Về nguyên tắc khí cần tách phải được dehydrat hóa để tránh hiện tượng tạo thành hydrat trong quá trình làm lạnh. Sau đó, sẽ được đưa vào thiết bị tách áp suất cao, rồi tiếp tục được làm lạnh sơ bộ, bằng cách trao đổi nhiệt với các dòng khí sản phẩm ở thiết bị trao đổi nhiệt, sau đó khí được đưa qua công đoạn làm lạnh. Ở phương pháp này người ta sử dụng 3 chu trình làm lạnh đó là:
Làm lạnh bằng van giản nở
Làm lạnh bằng chu trình làm lạnh ngoài
Làm lạnh bằng Turbo-Expander: đây là quá trình làm lạnh hiệu quả nhất, được sử dụng khi cần tách triệt để C2+ ra khỏi khí. Lưu ý quá trình này được vận hành ở nhiệt độ rất thấp nên cần thiết phải sấy khí bằng rây phân tử, đồng thời phải bố trí bộ phận Decacbonat hoá nhằm tránh sự kết tinh của CO2 gây cản trở việc vận hành. Turbin giãn nỡ thường kéo theo máy nén đồng trục nhằm thu hồi công sinh ra do quá trình giãn nỡ.
Tùy theo mức độ làm lạnh mà phần lỏng ngưng tụ sẽ được tách triệt để hay không triệt để. Sau đó hỗn hợp lỏng sẽ được đưa vào thiết bị tách áp suất thấp.
Phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp là phương pháp đắt tiền, thiết bị làm lạnh phức tạp. Tuy nhiên, do sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản, hiệu quả tách lỏng khá cao và triệt để nên những năm gần đây phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ chế biến khí.
Phương pháp chưng cất ở nhiệt độ thấp
Chưng cất ở nhiệt độ thấp, thực hiện quá trình tách các cấu tử định trước thì hiệu quả kinh tế hơn phương pháp ngưng tụ ở nhiệt độ thấp và xây dựng thiết bị cũng đơn giản hơn. Nguyên liệu đi vào thiết bị sau khi làm lạnh, không có sự tách sơ bộ mà được đưa thẳng vào chưng cất. Tại đây xảy ra sự phân tách riêng biệt khí nguyên liệu thành khí khô và các phân đoạn hydrocacbon nặng.
Tuỳ thuộc vào sơ đồ nguyên lý của quá trình chưng cất ở nhiệt độ thấp, các thiết bị cơ bản của sơ đồ mà tháp chưng được chia thành tháp chưng bốc hơi và tháp ngưng tụ bốc hơi, tháp phân đoạn...
Hinh 2.10 – Sơ đồ nguyên lý phân đoạn HC bằng phương pháp chưng tách ở nhiệt độ thấp
Phương pháp hấp thụ bằng dầu
Phương pháp hấp thụ khí thiên nhiên và khí đồng hành trên cơ sở của hai quá trình chuyển khối cơ bản: hấp thụ và khử hấp thụ. Bản chất vật lý của quá trình này là sự cân bằng giữa dòng khí và dòng lỏng do sự khuyếch tán từ pha này đến pha khác. Khi trạng thái cân bằng bền động lực của sự khuyếch tán được xác định bằng hiệu suất áp suất riêng phần của cấu tử tách ra trong pha khí và pha lỏng.
Tại các nhà máy chế biến khí, quá trình hấp thụ và khử hấp thụ được thực hiện trong các tháp hấp thụ và tháp khử hấp thụ có cấu tạo kiểu tháp đĩa hoặc tháp đệm. Chất hấp thụ được dùng là các phân đoạn từ xăng nặng đến gazoil hoặc hỗn hợp của chúng. Trước khi vào tháp hấp thụ nhiệt độ phải được làm lạnh đến nhiệt độ vừa phải: từ 100C đến -300C
Phương pháp hấp phụ
Hấp phụ chọn lọc cũng là phương pháp tách khí thành các phân đoạn khí khác nhau có hiệu quả cao. Chất hấp phụ thường dùng là than hoạt tính và SiO2. Còn đối với Nhôm hoạt tính và Zeolit thì ít dùng hoặc không dùng.
Nhôm hoạt tính dùng để tách nước, hấp phụ hyđrocacbon nặng thì không hiệu quả do không giải hấp được hyđrocacbon nặng trong quá trình tái sinh do than hoạt tính có ái lực mạnh với hydrocacbon nặng, nhưng không có ái lực mạnh với nước.
Silicagel: Vừa khử nước, vừa tách tốt các hyđrocacbon nặng. Chất hấp phụ Silicagel được tái sinh bằng cách cho một dòng khí nóng nhiệt độ 200 ÷ 3000C qua tầng hấp phụ, than hoạt tính 300 ÷ 3500C.
Đây là phương pháp hiệu quả tách C2+ trong khí tự nhiên. Tách bằng phương pháp hấp phụ có hiệu quả khi áp suất của dòng khí tương đối cao.
Chương 3
Giới thiệu về nhà máy chế biến khí Dinh Cố
3.1. Tổng Quan về nhà máy chế biến khí Dinh Cố 3.1.1 Giới thiệu về nhà máy
Hình 3.1- Nhà máy chế biến khí Dinh Cố.
3.1.2 Sơ lược về nhà máy
Nhà máy chế biến khí Dinh Cố được khởi công xây dựng ngày 4/10/1997, đây là nhà chế biến khí đầu tiên của Việt Nam. Nhà thầu là Tổ hợp Samsung Enginerring Company Ltđ (Hàn Quốc), cùng công ty NKK (Nhật Bản). Tổng số vốn đầu tư là 79 triệu USD, 100% vốn đầu tư của Tổng Công Ty Dầu Khí Việt Nam, nhà máy được xây dựng tại xã An Ngãi, huyện Long Điền, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu với diện tích 89600 m2(dài 320m, rộng 280m), cách Long Hải 6 km về phía Bắc, cách điểm tiếp bờ của đường ống dẫn khí từ Bạch Hổ khoảng 10 km.
Khí đồng hành được thu gom từ mỏ Bạch Hổ và mỏ Rạng Đông, được dẫn vào bờ theo đường ống 16" và được xử lý tại nhà máy xử lý khí Dinh cố nhằm thu hồi khí khô, LPG và các sản phẩm nặng hơn. Phần khí khô được làm nhiên liệu cho nhà máy điện Bà Rịa, nhà máy điện đạm Phú Mỹ.
Năng suất nhà máy 5,9 triệu Sm3/ngày. Các thiết bị được thiết kế vận hành liên tục 24h trong ngày (hoạt động 350 ngày/năm), còn sản phẩm sau khi ra khỏi nhà máy được dẫn theo 3 đường ống 6" đến kho cảng Thị Vải.
Sự ưu tiên hàng đầu của nhà máy là duy trì dòng khí khô cung cấp cho nhà máy điện, việc thu hồi các sản phẩm lỏng từ khí thì ít được ưu tiên hơn.
Ưu tiên đối với việc cung cấp khí khô cho nhà máy điện: Trong trường hợp nhu cầu khí của nhà máy điện cao thì việc thu hồi các thành phần lỏng sẽ được giảm tối thiểu nhằm bù đắp cho thành phần khí.
Ưu tiên cho sản xuất các sản phẩm lỏng: Trong trường hợp nhu cầu khí của nhà máy điện thấp thì việc thu hồi các thành phần lỏng sẽ được ưu tiên.
Nhưng thực tế trong quá trình vận hành nhà máy, nhà máy đã tìm cách thu hồi sản phẩm lỏng càng nhiều càng tốt vì sản phẩm lỏng có giá trị cao hơn so với khí.
3.1.3 Mục đích xây dựng nhà máy
Trong hơn mười năm khai thác dầu (từ năm 1983 đến năm 1995), ta buộc phải đốt khí đồng hành, điều này không chỉ làm lãng phí một lượng lớn nguồn tài nguyên thiên nhiên của đất nước mà còn gây ô nhiễm môi trường. Bên cạnh đó cùng với sự phát triển hàng loạt các mỏ khí thiên nhiên ở thềm lục địa phía Nam, đã thôi thúc chúng ta phải tìm những giải pháp thích hợp cho việc khai thác, sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên quý giá này.
Tháng 5/1995 hệ thống thu gom khí đồng hành ở mỏ Bạch Hổ đã hoàn thành, điều này đánh dấu một bước phát triển quan trọng cho ngành chế biến khí ở Việt Nam. Chỉ tính riêng việc đưa khí vào sử dụng cho các nhà máy điện Bà Rịa với công suất 1 triệu m3 khí/ngày đã tiết kiệm cho đất nước hơn 1 tỷ đồng mỗi ngày, chưa kể đến những lợi ích khác kèm theo như ổn định sản xuất, giải quyết vấn đề việc làm, tránh lãng phí và giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường,...
Để từng bước khép kín quy trình sản xuất từ việc khai thác, vận chuyển, xử lý, chế biến dầu khí, tận dụng triệt để nội lực góp phần công nghiệp hoá-hiện đại hoá đất nước, vào tháng 5/1999 PetroViệt Nam Gas đã vận hành nhà máy xử lý khí đầu tiên với năng suất mỗi năm khoảng 250 nghìn tấn LPG và 100 nghìn tấn Condensate. Nhà máy xử lý khí Dinh cố ra đời với mục đích sau:
Xử lý, chế biến khí đồng hành thu gom được trong quá trình khai thác dầu tại mỏ Bạch Hổ và các mỏ khác ở ngoài khơi Việt Nam.
Cung cấp khí thương phẩm làm nhiên liệu cho các nhà máy điện Bà Rịa, nhà máy điện đạm Phú Mỹ và làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác.
Thu hồi sản phẩm lỏng có giá trị kinh tế cao hơn so với khí đồng hành ban đầu như: LPG, Condensate.
Khi đã đáp ứng nhu cầu trong nước, các sản phẩm LPG và Condensate sẽ xuất khẩu mang lại cho đất nước một nguồn ngoại tệ đáng kể.
3.1.4 Cơ cấu tổ chức nhà máy
Hình 3.2- Cơ cấu tổ chức nhà máy
3.2 Nguyên liệu, các chế độ hoạt động và sản phẩm của nhà máy 3.2.1 Nguyên liệu đầu vào nhà máy 3.2.1 Nguyên liệu đầu vào nhà máy
Hiện nay nguyên liệu mà nhà máy chế biến khí Dinh Cố sử dụng là khí đồng hành khai thác từ mỏ Bạch Hổ và mỏ Rạng Đông nên theo thời gian thì các thông số vật lý, thành phần cấu tử cũng như lưu lượng sẽ có sự thay đổi. Vì vậy ở đây ta chỉ xét đến nguồn nguyên liệu hiện tại.
Áp suất : 75 bar.
Nhiệt độ : 270C.
Lưu lượng : 5,9 triệu m3 khí/ngày.
Hàm lượng nước : bão hòa tại điều kiện nhập liệu. Hàm lượng nước được tách sơ bộ tại giàn, sử dụng tách loại nước bằng Glycol( DEG).
Bảng 3.1- Thành phần nguyên liệu đi vào nhà máy hiện tại Cấu tử Phần mol (%) N2 0,20998 CO2 0,05999 C1 70,85 C2 13,41 C3 7,5 i-C4 1,65 n-C4 2,37 i-C5 0,62994 n-C5 0,72993 C6 0,50995 C7 0,25997 C8 0,17998 C9 0,07999 C10 0,029997 Cyclo C5 0,049995 Mcyclo C5 0,049995 Cyclo C6 0,039996 Mcyclo C6 0,049995 Benzene 0,039996 Water 0,13 Total 100,00
Ta nhận thấy khí nguyên liệu cung cấp cho nhà máy thuộc loại khí ngọt ẩm, hàm lượng CO2 nhỏ và hầu như không chứa khí H2S, hàm lượng C2+ >10%mol. Từ những số liệu này làm cơ sở cho việc thiết kế công nghệ nhà máy sau này.
3.2.2 Mô tả các chế độ hoạt động của nhà máy
Nhà máy được thiết kế với công suất đầu vào 1,5 tỷ m3 khí/năm và có 3 giai đoạn vận hành theo các chế độ tương ứng nhằm đáp ứng tiến độ cung cấp sản phẩm:
Chế độ AMF (Absolute Minimum Facility): sản xuất Condensate ổn định với công suất 342 tấn/ngày và 3,8 triệu Sm3khí/ngày, bắt đầu đưa vào hoạt động từ tháng 10/1998.
Chế độ MF (Minimum Facility): sản xuất Condensate ổn định với công suất 380 tấn/ngày, hổn hợp Butane - Propane (LPG) với công suất 629 tấn/ngày và 3,5 triệu Sm3khí khô/ngày, bắt đầu hoạt động vào tháng 12/1998.
Chế độ GPP (Gas Procesing Plant): sản xuất Condensate ổn định, khí khô, hỗn hợp Butane và Propane được tách độc lập. Giai đoạn này công suất khí đầu vào là 1,5 tỷ Sm3khí/năm, thu hồi Propane: 575 tấn/ngày; Butane 417 tấn/ngày; Condensate: 402 tấn/ngày và khí khô: 3,34 triệu Sm3/ngày. Giai đoạn này sử dụng công nghệ Turbo – Expander với hiệu suất thu hồi sản phẩm lỏng cao.
Hiện nay nhà máy đang vận hành ở chế độ GPP chuyển đổi, không tách riêng Butane và Propane.
3.2.2.1 Chế độ AMF
a. Các thiết bị chính:
Slug catcher SC-01/02.
Thiết bị lọc tách nước sơ bộ V-08. Hai tháp chưng cất C-01, C-05. Hai thiết bị trao đổi nhiệt E-01, E-04. Thiết bị làm nguội bằng không khí E-09. Hai bình tách V-03, V-15.
Máy nén Jet Compressor EJ-A/B/C.
c. Mục đích
Chế độ AMF có khả năng đưa nhà máy sớm đi vào hoạt động. Đây là chế độ hoạt động của nhà máy ở trạng thái cụm thiết bị hoạt động là tối thiểu, với mục đích nhằm cung cấp khí thương phẩm với lưu lượng 3,7 triệu m3 khí/ ngày cho các nhà máy điện và thu hồi Condensate với sản lượng 340 tấn/ngày. Đây đồng thời cũng là chế độ dự phòng cho chế độ MF, GPP khi các thiết bị trong chế độ MF, GPP xảy ra sự cố hoặc cần sửa chữa, bảo dưỡng mà không có thiết bị dự phòng.
d. Mô tả chế độ vận hành
Khí đồng hành từ giàn nén trung tâm ngoài khơi theo đường ống 16″ ngầm dưới biển đến Slug Catcher (SC-01) ở áp suất 109 Bar, nhiệt độ 25,60C. Tại đây Condensate, nước và khí được tách ra theo các đường riêng biệt để tiếp tục xử lý.
Áp suất của V-03 được điều khiển ở 75 Bar bởi các van điều khiển áp suất đặt trên đường ống dẫn khí trước khi vào tháp C-05, qua van điều khiển áp suất, nhiệt độ của dòng ra khỏi van nhỏ hơn nhiệt độ tạo hydrat. Hydrat được hình thành ở sau van điều khiển áp suất. Tuy nhiên chúng sẽ tan ra khi vào tháp Rectifier bởi vì nhiệt độ làm việc của thiết bị này cao (200C).
Dòng condensate từ V-03 được đưa tới tháp C-01 sau khi được gia nhiệt từ 200C lên 1010C tại thiết bị E-04A/B với dòng nóng có nhiệt độ 1940C đến từ đáy C-01. Mục